 |
Типы и расчёт распределительных систем скорых фильтров.
|
|
|
|
Схема равномерного распределения воды по площади фильтра, особенно при промывке, является одним из важнейших элементов обеспечения эффективности работы фильтров. В настоящее время в основном применены трубчатые распределительные системы большего сопротивления.
Равномерность подачи воды по площади фильтра в таких системах достигается посредством остальных дырчатых труб, приваренных перпендикулярно к центральному коллектору и расположенных от дна корпуса фильтра на 0,1 … 0,15 м.
План (вид сверху)
1 – центральная труба (коллектор), ϑв.нач. < 2 м/с;
2 – перфорированные ответвления (лучи), d ≥ 50 мм.
а = 250 … 350 мм;
b = 150 … 200 мм.
Перфорация ответвлений (лучей):
3 – круглые отверстия, d = 10…12 мм.
Отверстия устраиваются в нижней части трубы ответвлений в один или два ряда.
Суммарная площадь отверстий должна быть (0,2…0,3)% от площади фильтра.
В настоящее время разработано и используется в практике много других конструкций водораспределительных устройств.
Наибольшее распространение получили колпачковые, щелевые, трубчатые распределительные системы; трубчатые распределительные системы со шторками, пористые железобетонные плиты; система «Тритон», система (?).
Достоинством конструкций этих водораспределительных систем в том, что им не нужны поддерживающие гравийные слои, т. е. они более надёжны и экологичны в работе.
Обоснованием (НЕПОНЯТНО СТР. 26 В ПДФ)
Схема колпачковой трубчатой распределительной системы
1 – центральный коллектор;
2 – боковое ответвление;
3 – штуцера;
4 – колпачки.
В образующей нарезаны щели, шириной 0,3…0,4 мм (и даже 100).
Дренажная система «TRITON».
|
|
|
Промывка скорых фильтров
Фильтр должен быть остановлен на промывку обратным током воды или воздуха и воды если: а) загрузка исчерпала задерживающую способность и начался повышенный проскок загрязнений с водой, или б) потери напора в загрузке достигли предельно возможных 2-2,5 м. При использовании водовоздушной промывки сначала через загрузку с большой интенсивностью 15…20 л/с на м2 подают воздух в течение 2-х минут, затем снижают подачу воздуха до 8…10 л/с на м2 и одновременно с воздухом включают подачу воды с одновременно с интенсивностью 10…12 л/с на м2. Подачу воздуха и воды проводят в течение 3-4-х минут. Затем прекращают подачу воздуха и проводят домывку фильтрующей загрузки водой с интенсивностью 13-14 л/с на м2 в течение 2-х минут.
Водовоздушную промывку чаще всего применяют при использовании в качестве фильтрующей загрузки таких материалов, как песок, металлургический шлак, гранодиорит.
Если загрузка фильтров состоит из керамзита, антрацита, вулканических шлаков, то применение водовоздушной промывки не желательно, в связи (из-за) с повышенным выносом с пузырьками воздуха зерен фильтрующих материалов.
Перед промывкой фильтра перекрывают подачу воды на него, а воду продолжают фильтровать (пока уровень воды в растворе не сравняется до кромки водоотводящих желобов). Закрывают задвижку на трубопроводе отводящей фильтрат, открывают задвижку на трубопроводе, отводящем грязную воду из кармана фильтра и включают промывной насос. Промывная вода поступает в трубчатую распределительную систему, равномерно распределяется по площади фильтра, подымается вверх через зернистую загрузку с такой интенсивностью (л/с на м2), которая обеспечивает переход плотного фильтрующего слоя во взвешенное «псевдосжиженное» состояние. При этом фильтрующая загрузка расширяется, зерна фильтрующего материала хаотически двигаются, прилипшие к зернам загрязнения оттираются, измельчаются и вместе с потоком промывной воды поступают в водоотводящие желоба, затем в карман фильтра и по трубопроводу отводятся в емкость грязной промывной воды. Продолжительность промывки фильтра 7-8 минут. Интенсивность подачи промывной воды принимается в зависимости от вида фильтрующего материала. Для тяжёлых (песка, гранодиорита) – 14-16 л/с на м2. Для лёгких (керамзит, вулканические шлаки, синтетические гранулированные материалы) – 11…13 л/с на м2.
|
|
|
Дефекты от обратной промывки
Если в процессе промывки фильтрующая загрузка отмывается недостаточно, то это приводит к постепенному накоплению загрязнений, снижается качество очистки воды, сокращается продолжительность фильтроцикла. Такое нежелательное явление может произойти из-за недостаточной интенсивности промывки загрузки, из-за смещения гравийных слоев, а также в случае, когда расстояние между поверхностью фильтрующей загрузки и сливной кромки желоба слишком велико и транспортирующей способности потока промывочной воды недостаточно для удаления сравнительно крупных комочков загрязнений – продуктов разрушения гелеобразной структуры за пределы фильтра. Это расстояние должно быть:
где L – толщина слоя загрузки (если L = 1,5 м, то Н1= 0,8 м).
Водоприёмные и водоотводящие желоба
Водоотводящие желоба имеют поперечное сечение 2-х видов:
Для ориентировочных расчетов размеров поперечного сечения желобов можно считать, что суммарная площадь водосборных желобов составляет 20% от площади фильтра.
Многослойные фильтры
Повысить эффективность и надежность контактного осветвления воды можно применение контактных фильтров с многослойной фильтрующей загрузкой, составленной из 2-х или нескольких различных гранулированных материалов, имеющих различную плотность зерен с таким расчетом, чтобы в результате гидравлической сортировки после промывок фильтрующей загрузки её слои из разных материалов не перемешивались и располагались в направлении убывающей крупности, считая по ходу фильтрации воды (сверху вниз). Более крупные, но относительно более легкие зерна фильтрующего материала должны располагаться выше, чем более мелкие, но более тяжёлые.
|
|
|
1 – корпус фильтра;
2 – гравийные поддерживающие слои;
3 – нижний фильтрующий слой из песка (мелкозернистого);
4 – промежуточный фильтрующий слой из керамзита (среднезернистого);
5 – верхний фильтрующий слой из гранулированного полимерного материала (крупнозернистого);
6 – трубчатая распределительная систем;
7 – трубопровод для подведения воды на очистку;
8 – боковой карман фильтра;
9 – водосборный желоб;
10 – трубопровод для отведения очищенной воды;
11 – трубопровод для подачи воды на промывку;
12 – трубопровод для отведения грязной промывочной воды.
Скорость фильтрования очищаемой воды на контактных фильтрах в 1,8-2,2 раза выше, чем на контактных осветителях типа К0-1.
Общая толщина фильтрующей загрузки составляет обычно 1,5-1,8 м. Смещение гравийных слоев в процессе эксплуатации не наблюдается. Возможны сочетания 2-х и 3-х слойных загрузок разных материалов, например: керамзит – песок; вулканические шлаки – песок; антрацит – песок; гранулированный капрон – керамзит; капрон – керамзит – песок – вулканический шлак – гранодиарит.
Напорные фильтры
В практике железнодорожного водоснабжения часто применены скорые фильтры напорного типа.
Схема такого фильтра:
Где:
1 – корпус фильтра;
2 – фильтрующая загрузка;
3 – трубопровод для подведения воды на очистку и отведения промывочной воды;
4 – трубчатая распределительная система;
5 – трубка с вантузом для выпуска воздуха из фильтра;
6 – трубопровод для отведения очищенной воды и подачи воды на промывку;
7 – воронка для приема грязной промывочной воды.
Фильтры, как правило, изготавливаются из металла. Диаметра напорных фильтров от 1 до 3 метров. Если более 3 метров, то возникают трудности с транспортировкой и монтажом. Напорный фильтр состоит из корпуса (1) цилиндрической формы с приваренными верхним и нижним сферическими днищами. Внутри корпуса находится трубчатая распределительная система (4) колпачковая, либо щелевая. Фильтрующий слой толщиной 1,4-1,8 м. Водоприемная воронка (7) расположена по центру фильтра. Фильтр снабжен маномерами для измерения давления воды до и после фильтрования, вантузом (5) для выпуска воздуха, остающегося в фильтре после его опорожнения. Скорость фильтрования очищенной воды от 6 до 10 м/ч. Принцип работы и промывка аналогичны безнапорным скорым фильтрам.
|
|
|
Фильтрующие материалы для фильтровальных водоочистных сооружений
1) Виды и свойства фильтровальных материалов:
Все многообразие фильтровальных материалов можно разделить на две большие группы:
- природные
и
- искусственные.
А) К природным можно отнести различные пески (кварцевые, речные, карьерные), гранодиарит, антроцит, мраморная крошка, горелые породы, вулканические шлаки, алюмасиликатные сланцы.
Б) К искусственным фильтрующим материалам относятся: керамзит, шлаки топливные и металлургические, синтетические гранулированные материалы (с плотностью > 1 и плавающие), активированный алюмосиликатный абсорбент (ААА), активированные угли (древесные и каменноугольные, угольный сорбент).
Основные свойства:
1) Структурные показатели – уд. поверхность, межзерновая пористость;
2) Плотность, г/см3;
3) Гранулометрический состав:
а – эквивалентный диаметр
,
где Pi – весовое содержание фракций со средним диаметром зерен di в %.
(см. стр. 128, табл. 34, где dэ и К и табл. 35, стр. 129).
б – коэффициент неоднородности
,
где d10 – эффективная величина песка, калибр сита, через которое проходит через 10% данного песка.
4) Механическая прочность.
5) Технологическая эффективность – грязеемкость фильтрующей загрузки, кг/м3.
6) Электрокинетические свойства (𝜉 – потенциал поверхности зерен при движении водной среды относительно зерен или наоборот).
Природный зернистый фильтрующий материал
С момента появления скорых фильтров в 70-е годы XIX столетия очистка воды осуществлялась фильтрованием через песок: речной, карьерный или кварцевый. Песок – это смесь мелких частиц горных пород и минералов, образовавшихся в результате разрушения изверженных металлургических пород в соответствии с теорией Вернадского. Пески для загрузки фильтров имеют не одинаковые свойства и могут по-разному влиять на эффективность водоочистки.
Технологические характеристики песков включают такие параметры, как гранулометрический состав и межзерновая пористость.
В практике водоочистки используются пески крупность 0,5-2 мм.
Пористость межзерновая песчаной загрузки 37-43%.
Для получения фильтрующей загрузки из песка, требуемого гранулометрического состава, используют в основном механический способ фракционирования путем просеивания через комбинированные сита или классификации в гидроциклонах.
|
|
|
Объём использования песков в фильтровальных сооружениях сокращается. Это объясняется, во-первых, истощением ранее разведанных запасов качественного песка; во-вторых, большими в настоящее время расходами на его транспортировку; в-третьих, песок имеет более низкие технологические характеристики по грязеемкости в сравнении с другими фильтрующими материалами.
Фильтрующие материалы из дробленных горных пород
Применение фильтрующих материалов из дробленных горных пород стало необходимостью в связи с совершенствованием представлений о физико-химической сущности процесса очистки воды фильтрованием. Одним из первых дробленых природных материалов, примененных для очистки воды, был дробленый антрацит, который начал использоваться в начале прошлого столетия.
Наиболее крупные запасы его сосредоточены в Кузбассе (ранее его много было в Донбассе).
Пригодным для загрузки фильтров является антрацит, имеющий достаточную механическую прочность и при дроблении образующий зерна, близкие к форме куба.
В виду того, что плотность антрацита много меньше плотности песка, он нашел применение в 2-хслойных фильтрах.
Нижний слой таких фильтров толщиной 600-700 мм состоит из песка с размером зерен 0,5-1,2 мм.
Верхний слой состоит из антрацита крупностью зерен 0,8-1,8 мм и толщиной слоя 400-500 мм.
Для очистки питьевых вод применяется также гранодиорит – это магматическая горная порода (залежи на Урале и Дальнем Востоке).
Гранодиорит – отход щебечного производства, получаемый просеиванием отходов щебечного производства на специальных виброгрохотах.
Помимо гранодиорита из высокопористых горных пород определенный интерес представляют вулканические шлаки, которые обладают высокой прочностью, достаточной химической стойкостью и высокой межзерновой пористостью. Использование вулканических шлаков вместо песка позволяет увеличить производительность фильтровальных сооружений в 2-2,5 раза. При том скорость фильтрования возрастает в 1,8-2 раза, а темп прироста потери напора в фильтрующей загрузке уменьшается в 2-2,5 раза.
В качестве материалов используется также железная руда – магнетит (Fe3O4) для обезжелезования и деманганации подземных вод. Залежи магнетита разрабатываются в Карелии (Костамукшский ГОК), имеются еще на Урале, в Сибири, на Дальнем Востоке.
Одно из ведущих мест среди новых фильтрующих материалов занимают горелые породы, которыми называют полностью перегоревшие пустые породы, получаемые при добыче каменного угля и содержащие минеральную глинисто-песчаную часть, обожженную в той или иной степени(в зависимости от доступа кислорода при горении).
Запасы их в Кузбассе примерно около 800 млн. м3. Для подготовки фильтрующей загрузки из горелых пород их дробят, сортируют, просеивая на виброгрохотах.
Искусственные фильтрующие материалы
1. Из дробленого и недробленого керамзита.
Фильтрующий материал из керамзитового гравия получается путём дробления его последующим рассевом через колиброванные сита. Сырьем для производства керамзита являются глины, способные к вспучиванию или термообработке.
Дробленый керамзит легче песка и может использоваться в качестве верхнего фильтрующего слоя в 2-хслойных керамзитопесчаных фильтрах.
Перспективным для водоочистки может быть использование в качестве фильтрующих материалов гранулированных полимеров, таких как капрон, органическое стекло, полиэтилен, фторопласт и др. Существенным преимуществом гранулированных полимеров является (почти идеальная) однородность грансостава, что важно при исполнении многослойных загрузок скорых фильтров, работающих по принципу контактного осветления воды.
Кондиционирование и фракционирование материалов осуществляется гидравлическим механическим или пневматическим способами. Выбор способа кондиционирования определяется качеством исходного материала, а также требуемой точностью разделения зерен по крупности. Наибольшую точность кондиционирования обеспечивают механический и гидравлический способы.
Однако, в случае использования (для кондиционирования) пылеватых и влажных исходных материалов наиболее предпочтителен гидравлический способ.
Основные свойства фильтрующих материалов
Таблица
| № п/п | Наименование материала | Диаметр зерен, d, мм | Плотность, δ, г/см3 | Насыпная масса, г/см3 | Пористость межзерновая, % | к-т формы зерен, α | |
| mmin | mmax | ||||||
| Кварцевый песок | 0,5-2 | 2,4-2,6 | 1,6-1,7 | 1,17 | |||
| Антрацит | 0,8-1,8 | 1,72 | 0,88 | 1,55 | |||
| Керамзит не дробленый | 0,5-3 | 1,7-1,8 | 0,7-0,8 | 1,29 | |||
| Керамзит дробленый | 0,5-2 | 1,73 | 0,4 | 2,34 | |||
| Шунгит дробленый | 0,5-2 | 1,78 | 0,6 | 1,95 | |||
| Горелые породы | 0,5-2 | 2,4-2,46 | 1,5-1,6 | 2,1 | |||
| Вулканические шлаки дробленые | 0,5-2 | 2,5 | 1,33 | 1,98 | |||
| Доменные шлаки | 0,5-2 | 2,6 | 1,2-1,5 | 1,2 | |||
| Стеклянная крошка | 0,5-2 | 2,35 | 1,3 | - | |||
| Керамическая крошка | 0,5-2 | 2,17 | 1,4 | - | |||
| Гранодиорит | 0,5-1,5 | 2,69 | 1,35 | 1,4-1,8 |
Контактные осветлители тип КО-1 с боковым карманом
1 – трубопровод подачи воды на очистку;
2 – трубчатая распределительная система;
3 – водосборные желоба;
4 – боковой карман;
5 – трубопровод для отведения очищенной воды;
6 – трубопровод для подачи воды на промывку;
7 – трубопровод для отведения грязной промывочной воды;
8 – фильтрующая загрузка.
Контактный осветлитель с боковым карманом впервые в мире был построен на ГВС (главной водопроводной станции) в г. Ленинграде в 1960 году. Его площадь (F) была равна 10 м2 и он предназначался для проведения опытно-промышленных испытаний контактного метода осветления воды.
КО-1 – это железобетонный резервуар (реже металлический), заполненный фильтрующей загрузкой с поддерживающими гравийными слоями или безгравийный с трубчатой распределительной системой (2) и желобами (3) для сбора и отведения очищенной воды и грязной промывочной воды.
Толщина слоя фильтрующей загрузки (8) составляет 2 м. Крупность зерен фильтрующего материала (8):
dmin = 0,5 мм; dmax = 2 мм.
Схема контактного осветлителя КО-1 с центральным каналом (F > 40 м2)
1 – корпус контактного осветлителя;
2 – фильтрующая загрузка;
3 – водосборные желоба;
4 – трубчатые, боковые, перфорированные осветления;
5 – напорное отделение центрального канала;
6 – безнапорное отделение центрального канала;
7 – трубопровод, подающий воду в напорное отделение центрального канала;
8 – трубопровод, подающий воду на очистку в напорное отделение центрального канала;
9 – трубопровод, отводящий очищенную воду из безнапорного отделения центрального канала;
10 – трубопровод, отводящий грязную промывную воду из безнапорного отделения центрального канала.
Воду, подлежащую очистке, предварительно смешанную с коагулянтом, подают в трубчатую распределительную систему, из которой он поступает в фильтрующую загрузку и движется в направлении снизу вверх. Осветленная вода поступает сначала в водосборный желоб, затем в центральный канал (6) и далее по трубопроводам (9) отводится в РЧВ. Расчетная скорость фильтрования равна 4-5 м/ч. Промывка КО-1 осуществляется током воды через распределительную трубчатую систему. Интенсивность подачи промывной воды 14-16 л/с на м2. Продолжительность промывки 7-8 минут.
Контактные осветлители имеют существенный недостаток.
В процессе эксплуатации в связи с частичным засорением отверстий дренажной системы происходит образование не промываемых участков по площади контактного осветлителя. (Проектирование защиты закрытого дренажа от механического заключения в минеральных грунтах. Рекомендации. Сост. заслуж. деятелем науки и техники РСФСР, д. т. н., проф. А. Н. Патрашевым, Л., 1973. – 75с.)
Причем суммарная площадь их необратимо растет. При этом уменьшается фактическая площадь фильтрования, меняется восходящая скорость фильтрования, начинаются локальные выбросы (в виде облачка) загрязнений, состоящих в основном из Al(OH)3, попадающих в конечном итоге в РЧВ, а затем к потребителям. Образование не промываемых мест по площади фильтровального сооружения приводит к смещению гравийных слоев и обнажению боковых ответвлений распределительной системы. Через эти отверстия происходит унос фильтрующего материала за пределы фильтровального сооружения в РЧВ. Это обстоятельство вызвало необходимость совершенствования распределительной трубчатой системы. Для этого попытались исключить из сооружения гравийные поддерживающие слои, роль которых состоит в защите распределительной системы от забивания фильтрующим материалом.
Отличие безгравийной распределительной системы от гравийной состоит в том, что к дырчатым боковым ответвлениям привариваются боковые шторки, между которыми привариваются поперечные перегородки на расстоянии друг от друга, равного двойному шагу между отверстиями в ответвлениях труб.
Таким образом (то есть), в контактных ответвлениях может иметь место 2 типа трубчатых распределительных систем:
1) Трубчатая РС с гравийными поддерживающими слоями;
2) Трубчатая РС без гравийных слоев.
РС с гравийными поддерживающими слоями в контактных осветлителях аналогична РС скорых фильтров и рассчитывается в том же порядке, что и для скорых фильтров. Основные элементы РС без гравийных поддерживающих слоев представлены на рисунке ниже:
Где:
1 – коллектор;
2 – лучи (ответвления от коллектора);
3 – шторки;
4 – перегородки;
5 – отверстия в лучах;
а) расстояние между лучами; б) расстояние между отверстиями.
Другой способ устранения потенциальной возможности смещения гравийных слоев – применение водовоздушной промывки без псевдосжижения (расширения) фильтрующей загрузки. Это знание нашло воплощение в другой конструкции контактного осветлителя, названного КО-3.
Схема КО-3
1 – трубчатая распределительная система для подачи воды;
2 – фильтрующая загрузка (hз = 3 м);
3 – надзагрузочное пространство (hн.п.= 0,5 м);
4 – пескоулавливающий желоб;
5 – карман КО-3;
6 – трубопровод для отведения очищенной воды;
7 – трубопровод для подведения воздуха;
8 – трубчатая распределительная система для воздуха;
9 – трубопровод для подведения воды на очистку;
10 – трубопровод для подведения воды на промывку;
11 – трубопровод для отведения грязной промывочной воды;
12 – струенаправляющий выступ.
В КО-03 предусмотрены две трубчатых распределительных системы: одна из них для подачи воды (1), другая – для подачи воздуха (8). Во время рабочего цикла обрабатываемая реагентами вода подается по распределительной системе 1 в фильтрующую загрузку 2. Очищаемая вода поступает в надзагрузочное пространство 3 и горизонтальным потоком через пескоулавливающий желоб 4 поступает в карман 5 и далее по трубопроводу 6 отводится в сборный коллектор очищенной воды.
При промывке КО-03 задвижки на трубопроводах 6 и 9 закрываются, а на трубопроводе 11 задвижка открывается, открывается задвижка на трубопроводе 7 и загрузка продувается воздухом через распределительную систему 8 с интенсивностью 18-20 л/с м2 в течение 1-15 минут. Затем открывается задвижка на трубопроводе 10 и в дополнение к воздуху подается вода с интенсивностью 2-4 см2 в течение 6-7 минут. Происходит совместная водовоздушная промывка, при которой из загрузки удаляется основная масса загрязнений, затем закрывается подача воздуха и проводится промывка только водой с интенсивностью 6-7 л/с м2 в течение 5-6 мин. Этот этап промывки необходим для разрыхления разгрузки и удаления остатков воздуха. После дополнительной водяной промывки закрывается задвижка на трубопроводе 10 и затем открывается задвижка на трубопроводе 9.
Производится сброс в канализацию первого фильтрата в течение 5 минут, после чего контактный осветлитель включается в работу.
Удаление загрязнений при промывке КО-3 осуществляется с помощью горизонтального отвода промывной воды. При этом грязная промывная вода поступает в подзагрузочное пространство 3, а затем в карман 5 и далее по трубопроводу отводится в канализацию.
Порядок расчета КО такой же, как и скорых однопоточных фильтров, но при расчете общей площади фильтрования расчетная формула отличается от аналогичной формулы скорых фильтров:
Формулы для определения площади (Fр) КО-1 и КО-3:
КО-1
;
КО-3
;
Qобщ=1,05Qполез : КО-3
T – время работы (ВОС) водоочистной станции в течение суток;
ϑср – скорость расчетная 4-5 м/ч;
q – интенсивность промывки, принимается 14-16 л/с м2
t1 – продолжительность промывки 7-8 мин (0,117-0,133 ч);
n – количество промывок в сутки, n = 3;
t2 – время простоя КО в связи с промывкой:
для водяной промывки 0,33 ч,
для водовоздушной промывки – 0,5 ч.
t3 – продолжительность сброса первого фильтрата в канализацию 0,08 (3) часа;
q1 – интенсивность подачи воздуха для продувки, 8-9 л/с м2;
q2 – интенсивность подачи воды для продувки, 6-7 л/с м2;
tо1 – время продувки воздухом, 1-1,5 мин;
tо2 – время продувки водой, 5-7 мин.
Преимущества КО перед скорыми фильтрами и недостатки:
Плюсы:
1) большая грязеемкость фильтрующей загрузки, т. е.большее время защитного действия – t3;
2) меньший темп прироста напора;
3) потребляется меньшая доза коагулянта (на 20-25%);
4) более полно происходит процесс гидролиза коагулянта, т. е. в обработанной воде остается меньше алюминия в растворенной форме.
Минусы:
1) смещение гравийных слоев при промывках и, как следствие, закление распределительной системы и образование не промываемых участков по площади фильтровального сооружения;
2) ограничена скорость фильтрования;
3) возможность залповых выбросов загрязнений, которые попадают в РЧВ.
|
|
|
