Ваше имя:*

E-mail:*

Телефон:*

Ваш вопрос*:

*— Обязательно для заполнения



Ваш товар добавлен в корзину

Перейти к оформлению заказа | Вернуться в каталог



Вы не выбрали ни одного товара

Перейти к оформлению заказа | Перейти в каталог

  • Доступные цены

    Замена на универсальный счетчик воды
    1500 рублей. Интервал между поверками 6 лет.

  • Экономьте с нами

    Продление акции, заказавшим через сайт установка 2-х счетчиков воды Тайпит-ип (ОХТА) 4500р.

  • Ваш выбор - надежность

    Качество, надежность и
    ответственность это наш
    стандарт обслуживания!

  • Наша специализация

    Установка счетчиков воды и тепла: быстро, качественно, недорого!

Установка счетчиков воды и теплаКаталог смесителейПоверка счетчиков воды и тепла
Связаться с нами

Изучение процессов фильтрации: ответы порождают вопросы

Краткое содержание
Около 50 лет назад Wilhelm Wiederhold опубликовал статью “Offene Fragen der Filtertechnik” («Нерешенные вопросы процессов фильтрации»), которая была опубликована в журнале Gas und Wasserfach. Все приведенные в данном документе вопросы были разделены по пяти темам: 1) индекс микрофильтрования Boucher и его применение при рассмотрении вопроса фильтрования через песчаную загрузку; 2) диаграмма Michau, описывающая потери напора по высоте загрузки фильтра, проектирование и применение экспериментальных фильтровальных колонн; 3) моделирование многослойной фильтрующей загрузки с перфорированными бронзовыми фильтрами в качестве слоев; 4) режим движения жидкости через пористый материал; 5) промывка фильтрующей загрузки воздухом с последующим созданием псевдосжиженного слоя. В свете достижений в области процессов фильтрования за последние 50 лет данные вопросы были рассмотрены заново. Новые теоретические познания и практические исследования позволили ответить на некоторые вопросы, поставленные Wiederhold, и уточнить некоторые высказанные им предположения. Никогда ранее исследования в области фильтрования не порождали такого количества вопросов в ответ на найденные ответы. Гипотезы, выдвинутые Wiederhold, легли в основу новых продвижений, в частности, экспериментальных. На пути исследования фильтрации становятся новые проблемы, в том числе перспектива полного исчезновения технологии фильтрации через гранулированную загрузку за ненадобностью по мере распространения мембранных технологий.    
K.J. Ives
University College London, London WC1E 6BT, UK
Ключевые термины: Эксперименты; фильтрация; моделирование; теория    

Введение
Статья, опубликованная в 1954 году была названа автором (Wilhelm Wiederhold) “Offene Fragen der Filtertechnik”, что можно перевести как «Нерешенные вопросы процессов фильтрации», однако более корректным переводом будет «Вопросы фильтрации, не нашедшие ответа». Фактически в данной статье «вопросы», которые поднял Wiederhold, являются разделами тематических комментариев, дополненных его собственными экспериментальными исследованиями.

На сегодняшний день представляется интересным пересмотреть темы и результаты исследований 1954 года и выяснить, какие продвижения в этой области произошли за прошедшие 50 лет. При изучении сути проблемы становится очевидно, что каждый решенный вопрос в свою очередь порождает несколько новых вопросов.

Микрофильтрация
В 1974 году Lionel Boucher (Boucher, 1974) на основании проведенных им экспериментов в области микрофильтрации опубликовал результаты и комментарии к ним. Технологический процесс микрофильтрации используется по настоящее время и реализуется с помощью полых крутящихся барабанов, покрытых прессованной плетеной  тканью из стали (Рис.1). Ткань имеет отверстия величиной приблизительно 25 или 35 мкм, через которые не удается пройти частицам загрязнений (в частности, водорослям) и, таким образом, задержанная взвесь остается на внутренней поверхности крутящегося барабана. Потери напора при микрофильтрации невелики и составляют менее 150 мм. При этом сопротивление фильтрующего материала, выражающееся в потерях напора, возрастает по мере его кольматации задержанными частицами, что вызывает необходимость проведения промывки материала. Промывка микрофильтров осуществляется струей воды. Boucher описал соотношение между объемом воды, прошедшей через единицу площади фильтрующей ткани (V) и приростом потерь напора (Н), которые создаются за счет закупорки отверстий, с помощью эмпирического экспоненциального соотношения:

                 (1)

где  - начальные (на чистую фильтрующую ткань) потери напора, а  - индекс микрофильтрации, зависящий главным образом от содержания взвешенных веществ в воде и проходимости ткани. Это эмпирическое выражение было выведено в ходе теоретических исследований в 1960 г. (Ives, 1960). Рассматривая физическую природу фильтрующей ткани и теоретическое объяснение индекса микрофильтрования становится очевидно, что осветление суспензии, проходящей через ткань, происходит за счет эффекта поверхностной фильтрации в отличие от скорых фильтров, загруженных песком или аналогичным зернистым материалом, где имеет место глубинная фильтрация. Однако закон микрофильтрации Уравнения 1 полезен при описании спекшихся поверхностных отложений на загрузке скорых фильтров, где потери напора со временем прирастают (Ives, 1975).
 
К сожалению, Wiederhold не удалось распознать данное ограничение индекса микрофильтрации, описанного Boucher. При этом он был не одинок в своем заблуждении относительно этого индекса как определяющей характеристики песчаных фильтров. Это ошибочное предубеждение к индексу удерживалось около 15 лет и не позволяло осуществить более рациональное практическое применение теории фильтрации и его распространение среди инженеров, в том числе в Объединенном Королевстве. Имелось и более качественное математическое описание, разработанное Tomihisa Iwasaki (Iwasaki, 1937; при этом в Японии была более ранняя версия – 1935 г.), и Минцем (1951) (независимо от Tomihisa Iwasaki), которое оттеснило неправильное представление об индексе микрофильтрования. Weiderhold, возможно, не был осведомлен о существовании этих публикаций, в частности из-за того, что изначально они появились на неизвестных ему языках.

Диаграммы изменения давления
Несмотря на то, что Lindqvist в 1933 первым подсказал идею построения диаграмм потерь напора по слоям водопроницаемой загрузки (Lindqvist, 1933), именно презентация R.Michau, проведенная в 1951 привлекла внимание Weiderhold (Michau, 1951). Развитие «Диаграмм Michau» легло в основу их широкого применения, в том числе для исследований и пилотных испытаний. На одной  из диаграмм Weiderhold показан пилотный фильтр, представляющий собой вертикальную колонну, имеющую около 250 мм в диаметре, на разных уровнях которой были установлены манометры, позволяющие следить за изменением давлений. Применение методики измерения давления по высоте загрузки позволило построить диаграмму давлений. При этом автор не представил теоретического обоснования, почему колонна небольшого диаметра (в том числе 100 мм) позволяет имитировать внутреннюю кольматацию полномасштабного фильтра. Эффект малых размеров экспериментально не демонстрировался до 1960-х годов, когда это явление было описано в результатах работ, проведенных на водопроводной станции, расположенной недалеко от Лондона. На Рис.3, взятом из более поздней публикации (Ives, 1977), отмечается практически полная идентичность кривых давления, построенных по результатам исследований полномасштабного скорого фильтра с размерами в плане около 20х20 м и колонны диаметром 150 мм, которая была смонтирована рядом с ним. В современной практике исследований подобные фильтровальные колонны и результирующие диаграммы изменения давления широко распространены. Зачастую колонны оборудуются датчиками давления, а не манометрами, что позволяет осуществлять передачу электрического сигнала и записывать получаемые показания в электронном виде, что, при наличии соответствующим образом настроенного компьютерного оборудования, позволяет отслеживать изменение диаграммы давлений в динамике по мере увеличения времени фильтроцикла.

На диаграмме отражается отметка высоты загрузки и время, прошедшее с начала фильтроцикла, когда местное давление падает до уровня атмосферного, ниже которого давление становится отрицательным, что вызвано, в частности, высвобождением пузырьков воздуха из раствора, который полностью блокирует часть пор. Уже в период работ Wiederhold, были начаты работы по оценке «глубины проникновения» мутности в загрузку фильтра посредством изучения кривых изменения давления по высоте загрузки. 

 

Рис.2 Диаграмма давления, отражающая показания манометров и представляющая профиль распределения давления по высоте фильтровальной загрузки (Ives, 1977)

Однако выстроенная концепция, получившая широкое распространение в американской литературе (например, Fair & Geyer, 1954), была неверна, поскольку в более поздних работах отмечалось проникновение некоторых концентраций мутности через всю загрузку фильтра, что можно увидеть в уравнении, выведенном Iwasaki (Iwasaki, 1937):

                     (2)
где  - концентрация взвеси (мутность) на глубине   в период времени  ,  - входящая концентрация веществ, определяющих мутность над поверхностью фильтровальной загрузки ( ), а   - коэффициент, зависящий от расстояния до поверхности загрузки, прошедшего с начала фильтроцикла времени, расслойки фильтровальной загрузки и степени ее кольматированности.

 


Использование фильтровальных колонн для проведения исследований было известно в 1935 году еще до публикаций Wiederhold. В своих работах независимо друг от друга, но, при этом, в одно и тоже время колонны использовали Rolf Eliassen (Eliassen, 1941) в M.I.T. и Donald Stanley в Гарварде (Stanley, 1955). Кроме того, за 14 лет до появления статьи Wiederhold, Charles Stein (Stein, 1940) в M.I.T. провел блестящие исследования в области фильтрации и сообщил о нем в своей диссертации. В 40-х годах эти публикации не были приняты из-за того, что  специалисты Американской ассоциацией инженеров-строителей (American Society of Civil Engineers) не были согласны с описанными в этих статьях результатами. Такое положение продлилось до 1964 года, пока Thomas Camp (который руководил работами по докторской диссертации Stein в M.I.T.) не опубликовал в научной литературе (Camp, 1964) всестороннюю оценку работ Stein в области фильтрации.

Wiederhold в свих исследованиях не вдавался в подробности механизмов кольматации фильтрующей загрузки, и сопутствующее этому процессу изменение качества фильтруемой воды в зависимости от глубины загрузки и прошедшего с начала фильтроцикла времени. В 60-х-70-х годах научная литература была заполнена результатами исследований в этой области, а некоторая информация, развивающая данную тему, появляется в статьях и сегодня. В 1988 году, на основании подборки  публикаций на данную тему, Wiederhold подготовил ретроспективный обзор-пересмотр своих исследований, связанных с гидравлическими характеристиками потока в толще песчаной загрузки, кратко ссылаясь при этом на малую значимость поверхностных сил на границе раздела фаз - зерна загрузки и воды (Wiederhold, 1988).

Особенности гидравлических режимов скорой фильтрации
Значительная часть публикации Wiederhold (1954), в том числе и статьи, опубликованной в 1988 году, посвящена рассмотрению потоков, проходящих через пористую среду. В публикациях упоминаются исследования Allen Hazen 19-го века, которые легли в основу определения эффективного размера коэффициента неоднородности для песчаной фильтрующей среды, однако не отметил того момента, что работы Hazen рассматривали медленную фильтрацию, при которой частицы песка разной величины всегда находятся в смешанном состоянии, так как медленные фильтры не промываются обратным током воды, вызывающим сортировку зерен загрузки. Хотя спецификации эффективного размера зерен и коэффициента неоднородности существуют по настоящий день, следует отметить, что в настоящее время все большее распространение получает альтернативный показатель - гидравлический размер, применение которого более адекватно для сортированной среды загрузки скорых фильтров, а логарифмически вероятностные графики, которые дают прямые линии, наилучшим образом представляют анализ просеивания через сита (Stevenson, 1994).

Модели фильтров с многослойной загрузкой
Для изучения гидравлических особенностей фильтрации Wiederhold разработал небольшой, диаметром 65 мм, фильтрующий элемент, содержащий 20 последовательно размещенных слоев. Эти слои представляли собой сита из бронзы, каждое из которых имело толщину 0,3 мм. Ячейки сит имели размеры 0,3, 0,4, 0,5, 0,8 и 1,00 мм. Wiederhold провел исследования режимов потока при различных числах Рейнольдса. В числе прочего в исследования была включена фильтрация дизельного топлива, кинематическая вязкость которого при температуре 20С превышает вязкость воды в 35 раз. Хотя результаты данного эксперимента не могут быть применимы для изучения фильтрации воды, поскольку не учитывают аспекты поведения суспензий и отложений, эти данные были интересны с точки зрения изучения потока чистых жидкостей через пористую среду. При известной форме пор бронзовых сит, а также определенной скорости потока Wiederhold имел возможность контролировать режим движения жидкости: ламинарный (Re<10), переходный (Re 10-100) и турбулентный (Re>300). Кроме того, имелась возможность регулярных замеров, которые можно было затем сравнивать с результатами, полученными Ergun (1952) и позволяющими использовать широко известное уравнение Kozeny-Carman для неламинарных режимов.

Данная работа, хотя и представляла определенный интерес, имела небольшую практическую пользу, поскольку движение через пористую среду подробно описано в инженерно-химических учебниках. Принципиальная значимость данных работ заключается в привлечении внимания специалистов к математическому и экспериментальному моделированию потока через песчаную загрузку. Тем не менее, рассмотрение незагрязненной фильтрующей среды и чистой фильтруемой жидкости является лишь отправной точкой. Настоящий инженерный интерес представляет обработка суспензий: их осветление при помощи фильтрации и сопутствующее данному процессу повышение степени кольматированности загрузки накапливаемыми отложениями. Данное явление вызывает постановку следующего вопроса, который является основой дальнейшего обсуждения: повышается или понижается число Рейнольдса по мере прогрессирующей кольматации фильтрующей загрузки? Есть основание полагать (Cleasby&Baumann, 1962), что если чистая загрузка фильтра начинает работу в ламинарном режиме (потери напора прямо пропорциональны скорости фильтрации – закон Дарси), то режим остается ламинарным вплоть до потери напора 2,1 м. Cleasby&Baumann проводили эксперимент с фильтрами у которых потери напора достигали значения 2,1 м. После нескольких часов работы в таком режиме на фильтры подавалась чистая вода, а расход постепенно снижался. При этом по мере снижения расхода воды наблюдалось пропорциональное линейное снижение потерь напора. Данное обстоятельство в применении закона Дарси к кольматированной загрузке доказывает, что даже при прохождении через кольматированную загрузку поток остается ламинарным. В ходе данного эксперимента не удалось оценить число Рейнольдса, что оставило неопределенность в отношении того каков размер зерен загрузки, содержащих на поверхности отложения, и каковы скорости движения воды между зернами загрузки, частично покрытыми отложениями. Однако данные исследования позволили с уверенностью заявить, что характер движения потока остается ламинарным.

Wiederhold вернулся к исследованиям потока через пористую загрузку в 1998 году, проведя ряд повторных экспериментов, аналогичных проведенному в 1954 году с перфорированными бронзовыми пластинами, визуализируя структуру потока с помощью красящего вещества, вводимого с помощью инъекций.  Wiederhold как и прежде не учитывал вопросы обработки суспензий и кольматации зерен загрузки, несмотря на множество публикаций по данным вопросам, вышедшее за 34-летний промежуток времени. Он лишь вкратце упомянул о важности поверхностных сил, в том числе сил Ван дер Ваальса, и воспроизвел диаграмму открытия самых малых пор между зернами 0,5 мм, которая первый раз появилась в отчете International Water Supply Congress, проведенном в городе Barcelona в 1996 (Минц, 1966) – см. Рис.4. Он также не упомянул о прочих силах, вызывающих отклонение частиц, проходящих через поры, таких как сила гравитации, диффузия и гидродинамические и электростатические силы притяжения и отталкивания, возникающие между зернами загрузки и поверхностями частиц (Ives & Gregory, 1966; Ison & Ives, 1969).

Промывка обратным током
В 1954 году Wiederhold кратко рассмотрел практику промывки обратным током воды, отметив роль перфорированных колпачков, которые вставляются в «ложное дно» фильтра, позволяя промывной воде и воздуху распространяться в загрузке фильтра. При этом он на диаграмме показал, что поток воздуха может слегка приподнять слой песка и вызвать возврат загрязненного песка обратно, оказывая тем самым влияние на нижние слои загрузки. При этом Wiederhold рассмотрел возможность использования «ложного дна» без колпачков, но из пористого материала, отметив при этом, что поры плиты «ложного дна» (например, из крупнозернистого бетона) могут быть постоянно закрыты проникшими через слой загрузки водорослями.
 

Тем временем в Соединенных Штатах и Европе не прекращались споры по вопросу промывки фильтров обратным током воды. В одном случае приоритет отдавался поверхностным промывным системам, использующим зафиксированные или вращающиеся форсунки; во втором случае предпочтительной считалась промывка воздухом, предваряющая водяную промывку. Специалисты Соединенных Штатов склонялись к использованию воздушной промывки на первой стадии, поскольку при использовании двух- или трехслойных фильтров, которые рассчитаны на фильтрацию всей высотой загрузки, необходима и промывка всех слоев. Wiederhold не принимал участия в этой трансатлантической дискуссии по вопросам о способах промывки фильтрующей загрузки. Позднее, с открытием Amirtharajah явления очистки зерен в результате соударений (“collapse-pulsing”) (1993) и адаптации этого открытия для совместной промывки воздухом и водой, отличия в способах промывки фильтров по разные стороны Атлантики стали минимальны.

Актуальные вопросы сегодняшнего дня
Повысилась ли наша компетентность по вопросам фильтрации по сравнению с Wiederhold и его современниками спустя 50 лет?

Мы были свидетелями разработки новых средств и способов исследований, таких, например, как контроль суспензии с помощью радиации, появившийся приблизительно в то же время, что и статья Wiederhold (1954), кондуктометрическое зондирование, исследование коэффициента преломления, анализ размера частиц, эндоскопия и видеонаблюдение.

Несмотря на всю мощь имеющегося сегодня инструментария, мы не можем сколько-нибудь точно предсказать для реальной системы поведение частиц, в частности, хлопьев, которые проходят в слой загрузки. Влияние каких-либо биологических процессов многократно затрудняет прогнозирование.

С 40-х годов мы применяли математическое моделирование фильтров на весьма серьезном уровне, хотя публикации сколько-нибудь значимых результатов не появлялись вплоть до 60-х годов. На современном уровне математического моделирования мы используем мощную вычислительную технику и, несмотря на это, мы по-прежнему не в состоянии предсказать поведение фильтра с точки зрения качества фильтрата, и динамики изменения потерь напора без привнесения в модель солидной доли опытных данных. Это обстоятельство приводит к невозможности проектирования фильтра без проведения экспериментальных работ при заданных требованиях (высота загрузки и величина зерен загрузки, расход воды, длительность фильтроцикла при различных потерях напора и их ограничениях, качество фильтрата, режим промывок, результирующие структурные и гидравлические параметры, включая необходимый инструментарий). Приближение новых опасностей, например, Cryptosporidium и Giardia повышает наши требования к контролю процессов обработки воды, не последнее место в которых занимают точность и непрерывность измерений по показателям мутности, а также растущий интерес к анализу размера частиц.

Даже при наличии всего объема данных, сможем ли мы использовать их для проектирования и последующей эксплуатации фильтра? Осмысление сложных моделей промывки на основании новой теории удаления отложений из фильтрующей загрузки, которое происходит из проверенного временем, однако не всегда полезного предварительного расширения загрузки. Это изменение само по себе дало новое направление развития техники промывки. Но что мы знаем об усилиях сдвига отложений и их сопротивляемости очистки с поверхностей зерен?

Еще вопросы
В 1993 году настоящий автор представил статью в Европейский Конгресс по вопросам фильтрации (European Congress of Filtration), который проводился в Ostend, Belgium (Ives, 1993). Из всех описанных в этой статье по настоящее время остаются открытыми следующие вопросы:

Созревание фильтра
Геометрическая модель Stein & Ives включает фазу улучшения. Принимая тот факт, что улучшения наблюдаются почти всегда при эксплуатации промышленных фильтров, в последнее время при моделировании принято учитывать период созревания. Большая значимость данного периода с практической точки зрения, заключается в том, что в отдельных случаях в начальный период фильтроцикла возможно проникновение опасных микроорганизмов через загрузку фильтра.

Данное обстоятельство приводит к возникновению следующих вопросов:
(I)    Каким образом можно избежать неудовлетворительного качества в период созревания фильтра? Что в данном случае предлагает теория фильтрации: снижение скорости фильтрации, сброс первой порции фильтрата, введение полимера или какие-либо другие изменения в процессе?
(II)    Может ли информация о качестве поступающей на фильтр воды и об особенностях конструкции фильтра теоретически помочь в предсказании периода созревания? Если да, то какая конкретно информация для этого потребуется?

Усилия сдвига отложений
При увеличении расхода воды, проходящего через фильтр, а, соответственно, и скорости фильтрации даже вполне стабильные отложения могут быть отделены из-за быстрого увеличения нагрузки сдвига. Было высказано мнение, что такое повышение скорости должно быть не более 3-5% в минуту (или даже 1% в минуту по отношению к хрупким отложениям, таким как хлопья, построенные на основании веществ, определяющих цветность воды). Математическое моделирование отрыва отложений в ходе процесса фильтрации предполагает, что количество оторванных отложений пропорционально количеству имеющихся отложений с соответствующим постоянным коэффициентом отрыва, или что оно пропорционально локальному гидравлическому градиенту. Данное предположение вызывает образование ряда вопросов:

(I)    Каково усилие сдвига отложений и каково его соотношение к структурным и химическим (а также в некоторых случаях микробиологическим) особенностям частиц взвеси?
(II)    Зависит ли усилие сдвига от времени?
(III)    Достаточно ли для минимизации отрывов сохранение определенной скорости изменения расхода воды?
(IV)    Какой параметр может использоваться в качестве коэффициента отрыва в результате действий усилий сдвига?

Собственная проходимость отложений
После того, как в 1937 году Iwasaki разработал математическую модель кинетики фильтрации, была сформулирована проблема преобразования суспензии, выражаемой в массе, в отложения, выражаемые в объеме. Это преобразование позволяет рассчитать объемы пор, которые заняты отложениями, и использовать модифицированное уравнение Kozeny для анализа и прогноза потерь напора. Это преобразование может быть сделано на основании данных о плотности частиц суспензии и пропускной способности отложений. В дополнение к фундаментальной проблеме определения эффективного объема на основании данных о массе, остаются нерешенными следующие вопросы:

(I)    Каково соотношение между фактором преобразования и структурой отложений, в частности, в том случае, если принять, что проходимость постоянна для всех отложений?
(II)    Изменяется ли собственная проходимость отложений по времени и влияет ли на нее скорость отложения в порах?


Форма частиц
На основании практических данных установлено, что форма и размеры частиц оказывают влияние на эффективность работы фильтра. В качестве наиболее наглядного примера в данном случае можно привести водоросли, форма которых может быть сферической (Chlorella), дискообразной (Stephanodiscus), игловидной (некоторые диатомовые, Nitzschia), зведообразной (Asterionella), нитевидной (Anabaena) и многосферной (Microcystis), а также более неправильной формы (Scenedesmus). Эти организмы можно разделить на две группы: задерживаемые на фильтре и способные пройти сквозь загрузку; прочие их особенности зависят от конкретных условий. Данный вопрос недавно рассматривался с той точки зрения, что ооцисты Cryptosporidium имеют многосферную форму, а цисты Giardia – яйцевидную.

В определенной степени форма микроорганизма может быть замаскирована, если данный микроорганизм покрыт хлопьями или связан с ними.

В связи с описанной проблемой возникают следующие вопросы:
(I)    Могут ли геометрические особенности и размер частиц соотноситься с коэффициентом фильтрации?
(II)    Как форма влияет на прочие показатели фильтрации: морфологию отложений, усилие сдвига, потери напора?

Структура хлопьев
Можно упрощенно предположить, что характер поток одинаковый во всех порах. Зерна фильтровальной загрузки не имеют четкого расположения и не имеют четкой сферической формы. Даже если проходы имеют определенную геометрическую форму, как, например, в плетеной микросети, используемой для микрофильтров, размеры и форма ячеек изменяются в широких пределах. Порометрия позволяет получить информацию о распределении пор по размеру на основании результатов определенных жидкостно-механических процедур, однако не предоставляет никакой информации о форме ячеек и структуре потоков жидкости после прохождения через эти ячейки. Данные, полученные от различных исследователей, указывают на то, что массив потоков составляет структуру, описываемую как «открытые каналы» (иногда называется «червоточинами»), дополненные кольматированными каналами и каналами, заполненными отложениями очень низкой пропускной способности. Отдельные локальные потоки, направленные навстречу общему потоку (то есть противотоки) были обследованы эндоскопическим методом и смоделированы с помощью электрических сетей.

В отношении структуры потока имеются несколько вопросов:
(I)    Требуется ли для описания послойных изменений в структуре потока внесение изменений в математическую теорию фильтрации?
(II)    Насколько глубоки «червоточины»: тянутся ли они по всей глубине фильтрующей загрузки, угрожая тем самым качеству фильтрата и разрешая проникновение в фильтрованную воду частиц взвеси, среди которых могут оказаться патогенные микроорганизмы?

Свойства загрузки
Песок является универсальным фильтрующим материалом по причине повсеместного наличия и невысокой стоимости. Прочие фильтрующие материалы имеют более высокую стоимость и добавляются к песку при построении многослойных загрузок. В отдельных случаях альтернативные материалы используются вместо песка. Все эти материалы должны иметь определенные свойства:  размер зерен, плотность, истираемость и т.д. (Stevenson, 1994). При этом следует отметить, что перечень свойств, при которых материал мог бы считаться идеальным, не существует. С ростом использования гранулированного активированного угля (ГАУ) в качестве фильтрующей-сорбирующей загрузки, а также пенополистирола и прочих новых фильтрующих материалов (гранулы некоторых фильтрующих материалов сами обладают свойствами проницаемости), необходимо ответить на ряд вопросов:

(I)    Можно ли описать свойства идеальной гранулированной фильтрующей среды, учитывая эффективность фильтрования и отмывки?
(II)    Можно ли описать свойства идеальной фильтрующей загрузки на основании теории фильтрации и что является мерой «идеальности» загрузки, например, коэффициент фильтрации или критерий эффективности отмывки?
(III)    Можно ли изготовить идеальный гранулированный фильтрующий материал?

Построение многослойной загрузки
Фильтрами, загрузка которых построена из нескольких слоев разных материалов, встречаются достаточно часто, однако при этом фильтры, содержащие четыре или большее количество слоев, как правило, не оправдывают своей сложности. В этой связи необходимо найти ответы на следующие вопросы:

(I)    Существует ли потребность в разработке упрощенного рационального теоретического подхода для двух или трехслойных фильтров, что позволило бы на основе пилотных исследований разработать более эффективную конструкцию?
(II)    Можно ли теоретически описать остальные особенности конструкции многослойных фильтров, например, степень перемешивания материалов загрузки на границе раздела слоев и оптимальный режим промывки многослойных фильтров?

Промывка
Многие годы исследования промывки обратным током воды концентрировались на расширении фильтрующей среды при ее псевдосжижении. Это является вторичным критерием для цели промывки – очищения зерен загрузки и удаления накопленных отложений. В действительности многие исследователи сознательно избегают расширения загрузки. Исследования Amirtharajah с его открытием очистки загрузки в результате соударения зерен вызвало революцию в подходах к промывке фильтров, концентрируя внимание на очищении среды загрузки и обеспечивая снижение потребления воды, необходимой для промывки фильтров. Экспериментально было установлено, что загрузка сжимается при включении потока воздуха: более чем удивительный результат.

В дополнение к этому существует ряд вопросов, относящихся к удалению промывной воды, рассматривая этот вопрос с точки зрения повторного использования этой воды при эксплуатации очистных сооружений. Этот вопрос встает в связи со сложностями, вызванными присутствием в промывной воде фильтров ооцист Cryptosporidium, которые были задержаны фильтрующей средой. При этом возникают следующие вопросы:

(I)    Что является причиной сжатия загрузки при начале промывки фильтра воздухом и может ли данный феномен быть смоделирован?
(II)    Существует ли взаимосвязь между усилием сдвига отложений и требуемым очищающим процессом, а также его продолжительностью?
(III)    Что делать с промывной водой, если ее повторное использование окажется  невозможным?
(IV)    Можно ли с приемлемой эффективностью физическим или химическим способом дезинфицировать промывную воду (учитывая проблему ТГМ при хлорировании высокими дозами)?

Инструментарий
Установка мутномеров постоянного действия становится все более популярной мерой контроля качества фильтрата и его изменений, связанных с такими процессами, как созревание, изменение скорости, проскок. Помимо мутномеров применяются счетчики частиц, которые позволяют осуществлять гибкий мониторинг частиц с определением их размеров.

Видеоэндоскопия уже 10 лет применяется для наблюдения за ходом фильтрации и промывки и регистрации этих процессов. У данного метода имеются ограничения, в том числе контролируемый объем (около 10 гранул) и оптическое разрешение, достигающее максимум 15 мкм.

Измерению подвергается электрофоретическая подвижность, которая зачастую используется для оценки дзета-потенциала частиц. Для определения дзета-потенциала поверхностей частиц используется измерение фильтрационного потенциала. Может ли новоизобретенное проточное оборудование непрерывного действия, используемое для исследования суспензий в процессе флокуляции, быть использовано для исследования фильтрации, в частности при контактном осветлении или фильтрации без предварительной обработки?

В этой связи можно сформулировать ряд вопросов:
(I)    Существует ли необходимость в приборе, который совмещал бы в себе функции мутномера и счетчика частиц?
(II)    Что было бы предпочтительнее при дальнейшем совершенствовании эндоскопического оборудования: увеличение исследуемого объема или повышение разрешающей способности до уровня менее 15 мкм?
(III)    Помимо эндоскопии могут ли еще какие-либо медицинские приемы, например, томография, применяться для исследования фильтрации?
(IV)    Можно ли адаптировать проточные анализаторы для исследования процессов фильтрации при контактном осветлении и фильтрации без предварительной ступени обработки?

Выводы
Несмотря на огромные достижения в теории фильтрации и в области ее практического применения, сделанные Wiederhold в 1954 году, многие вопросы по-прежнему остаются без ответа. Среди вопросов имеются также и те, которые были сформулированы в свете недавних исследований:

1.    Созревание фильтра: 2 вопроса, которые относятся к сниженной эффективности фильтрации в период созревания фильтра: влияние периода созревания на качество фильтрата и возможность прогнозирования этого процесса.
2.    Усилие сдвига накопленных отложений: 4 вопроса, которые относятся к определению усилия сдвига: величина усилия для отделения отложений от поверхности и влияние на процесс отделения изменений скорости фильтрации.
3.    Собственная проходимость отложений: 2 вопроса, которые касаются проблемы конверсии массы в эффективный объем и его отношение к структуре отложений, структуре потоков и его зависимость от времени.
4.    Форма частиц: 2 вопроса, которые относятся к определению формы частиц, в особенности это касается водорослей; влияние формы частиц на показатель коэффициента фильтрации и прочие параметры работы фильтра.
5.    Структура потока: 2 вопроса, которые относятся к более детальному определению участков потока с различными режимами в загрузке фильтра, в том числе «червоточин».
6.    Свойства загрузки: 3 вопроса, касающихся определения концепции идеальных параметров гранулированного материала, а также возможности его создания.
7.    Построение многослойных загрузок: 2 вопроса, которые рассматривают возможности упрощения теорий оптимального способа построения многослойных фильтров и определения особенностей их промывки.
8.    Промывка фильтра и обработка промывных вод: 4 вопроса, вытекающих из теоретических и экспериментальных наблюдений, связанных с комбинированным процессом промывки фильтра водой и воздухом и необходимым усилием сдвига отложений; также важны вопросы повторного использования промывных вод, их удаления и дезинфекции.
9.    Инструментарий: 4 вопроса, которые рассматривают роль применения счетчиков частиц, направление развития видеоэндоскопических наблюдений и проточных анализаторов.

Все 25 перечисленных вопросов выражают основные интересующие моменты теории и практики скорой фильтрации.

В завершение необходимо задать еще один последний вопрос: есть ли уверенность в готовности мембранной фильтрации как замены фильтрации через гранулированную загрузку, которая позволит сделать скорую фильтрацию частью истории водоподготовки или к 2050 году потребуется провести еще один пересмотр результатов исследований в области классического процесса фильтрации?