Фильтровальные сооружения с тяжелой зернистой загрузкой

Одним из методов очистки воды от взвешенных и коллоидных примесей является ее фильтрование через пористую зернистую среду. Фильтровальные сооружения могут применяться как в качестве доочистки воды после отстойников или осветлителей со взвешенным осадком, так и как самостоятельные сооружения.

Физико-химическая сущность реагентного осветления и обесцвечивания воды в процессе фильтрования заключается в адгезии (прилипании) взвешенных и коллоидных частиц к поверхности зерен фильтрующего материала или к ранее прилипшим части­цам. Осадок, образовавшийся в порах загрузки, имеет непрочную структуру, разрушаю­щуюся под действием гидродинамических сил потока. В каждом элементарном слое за­грузки осветление воды происходит до тех пор, пока силы отрыва частиц не начинают превалировать над силами адгезии и аутогезии (взаимодействия между частицами в прилипшем слое). Оторвавшиеся частицы осадка переносятся в последующие слои и там задерживаются.

Кроме осветления поверхностных вод с помощью зернистых фильтров осуществ­ляют обезжелезивание, умягчение (ионообменные зернистые фильтрующие материа­лы), фторирование (флюоритовый песок), обесфторирование (гранулированные окислы алюминия), стабилизацию воды (мраморная крошка).

В зависимости от природы и типа фильтрующего слоя различают следующие виды фильтров: зернистые (фильтрующий слой - кварцевый песок, дробленый антрацит, ке­рамзит, пенополистирол, иониты, сорбенты, магномасса и др.); сетчатые (фильтрующий слой - сетка с размером ячеек 20-60 мкм); тканевые (фильтрующий слой - хлопчатобу­мажные, льняные, суконные, стеклянные или капроновые ткани); намывные (фильтру­ющий слой - древесная мука, диатомит, асбестовая крошка и другие материалы, намы­ваемые в виде тонкого слоя на каркас из пористой керамики, металлической сетки или синтетической ткани).

Зернистые фильтры применяют для очистки хозяйственно-питьевой и технической воды от тонкодисперсной взвеси и коллоидов; сетчатые - для задержания грубодисперс­ных взвешенных и плавающих частичек; тканевые - в полевом водоснабжении; намыв­ные - для очистки маломутных вод на станциях небольшой производительности (для поселков, плавательных бассейнов и т.д.).

Для очистки воды в коммунальном и промышленном водоснабжении наиболее ши­роко применяются зернистые фильтры. По скорости фильтрования их разделяют на медленные (скорость фильтрования 0,1-0,2 м/ч), полускорые (0,2-5,0 м/ч), скорые (5,0-15 м/ч) и сверхскорые (>15-25 м/ч).

В зависимости от крупности зерен фильтрующего слоя зернистые фильтры разде­ляют на мелкозернистые (например, медленные фильтры с размером зерен верхнего слоя песка 0,3-0,5 мм), среднезернистые (например, скорые фильтры с размером зерен верхнего слоя песка 0,5-0,8 мм) и крупнозернистые (в частности, предварительные фильтры с размером зерен верхнего слоя песка 1-2,5 мм).

Если загрузка фильтрующего слоя однородна по плотности и отличается только крупностью зерен, такие типы фильтров называются однослойными (например, скорые фильтры с загрузкой из кварцевого песка). Фильтры, загруженные неоднородной загруз­кой по плотности и размеру зерен, называются многослойными (например, двухслойные скорые фильтры, в которых нижний слой - кварцевый песок, верхний - антрацит).

По направлению движения потока воды при фильтровании зернистые фильтры бы­вают одно- и многопоточные, с вертикальным, горизонтальным и радиальным направ­лением потока воды.

В зависимости от обеспечения напора, создаваемого после очистки, фильтры клас­сифицируются как безнапорные, напорные и комбинированные.

По виду загрузок бывают фильтры с тяжелыми зернистыми (плотность зерен кото­рых больше плотности воды) и плавающими загрузками, которые способны пребывать неограниченное время в воде в плавающем состоянии.

К первым относятся фильтры с кварцевой и антрацитовой загрузкой, с загрузками из дробленого и недробленого керамзита, горелых пород, вулканических шлаков, акти­вированного угля, мраморной крошки, ионообменных природных и искусственных зер­нистых материалов.

Ко второй группе относятся фильтры с гранулированной пенополистирольной, пе­нополиуретановой, фторопластовой и др. загрузками. В качестве плавающих или полу- плавающих фильтрующих материалов могут также применяться замкнутоячеистые во­донепроницаемые гранулы шунгизита, редоксида, стеклопора, гранулированных шла­ков, дробленые отходы от пенопластовых плит и им подобные.

Крупнозернистые (грубозернистые фильтры) используют при частичном осветле­нии воды, предназначенной для технических целей, если мутность воды в источнике во­доснабжения не превышает 150 мг/л. Они задерживают до 50-60% содержащихся в во­де взвешенных веществ. Основное их назначение заключается в задержании взвеси крупнее 0.05 мм, способной осаждаться в зонах охлаждающих систем с пониженными скоростями движения воды.

Характеристика новых фильтрующих материалов, поставляемых промышленностью

Примечание: Расчетные скорости фильтрования и режима промывания уточняются в процессе технологических изысканий, выполненных на воде конкретного водоисточника

Свойства фильтрующих тяжелых зернистых материалов

Фильтрующий слой, скорость фильтрования и интенсивность промывки крупнозернистых фильтров

Крупнозернистые фильтры проектируют напорными или открытыми. Напорные крупнозернистые фильтры следует рассчитывать на предельную потерю напора в филь­трующей загрузке и дренаже до 15 м, открытые - 3-3,5 м. В открытых фильтрах необ­ходимо предусматривать слой воды над уровнем загрузки 1,5-2 м.

Как загрузку для фильтров используют песок, дробленый антрацит или другие зер­нистые материалы с соответствующей механической прочностью и химической стойкос­тью. 

Расчет желобов и сборных каналов в открытых предварительных фильтрах произ­водят так же, как и для скорых фильтров. Промывку крупнозернистых фильтров проек­тируют водовоздушной, распределительные системы для воды и воздуха делают раз­дельными или объединенными в соответствии с рекомендациями для скорых фильтров.

Устройства для подачи и отвода промывной воды должны обеспечивать слудующий режим: взрыхление фильтрующей загрузки водой с интенсивностью 6-8 л/(см²) - 1 мин, водовоздушная промывка с интенсивностью 3-4 л/(см²) воды и 15-25 л/(см²) воздуха - 5 мин, отмывка водой и гидравлическая сортировка фильтрующей загрузки с интенсив­ностью подачи воды 6-8 л/(см²) - 2 мин.

Площадь крупнозернистых фильтров F рассчитывают по формуле

F=Q / Tv_p-3,6n(w₁t₁+w₂t₂+w₃t₃)-nt₄v_p

где Q - полезная производительность фильтров, м³/сут; Т - время работы станции в течение суток, ч; v_p- расчетная скорость фильтрования, м/ч; n - количество промывок всех фильтров в сутки; w₁,t₁- интенсивность в л/(см²) и продолжительность в ч взрыхления фильтрующего слоя; w₂,t₁- интенсив­ность подачи воды в л/(см²) и продолжительность в ч водовоздушной промывки; w₃,t₃- интенсивность в л/(см²) и продолжительность в ч отмывки; t₄- вре­мя простоя фильтра в связи с промывкой в ч.

Схема скорого фильтра

1 - корпус; 2 - фильтрующая загрузка; 3 - отвод фильтрата; 4 - подача исход­ной воды; 5 - отвод промывной воды; 6- нижняя дренажная система (НДС);

7 - поддерживающий слой; 8 - желоб для сбора промывной воды; 9 - пода­ча воды на промывку

Вода, поступающая на скорые фильтры после отстойников или осветлителей со взвешенным осадком, не должна содержать взве­шенных веществ более 12-25 мг/л, а после фильт­рования мутность воды, предназначенной для хо­зяйственно-питьевых нужд, не должна превышать 1,5 мг/л.

Фильтры и их коммуникации должны быть рассчитаны на работу при нормальном и форсиро­ванном (часть фильтров находится в ремонте) режимах. На станциях с количеством фильтров до 20 следует предусматривать возмож­ность выключения на ремонт одного фильтра, при большем количестве - двух фильт­ров.

Скорости фильтрования при нормальном и форсированных режимах при отсутст­вии технологических изысканий надлежит принимать с учетом обеспечения продолжительности работы фильтров между промывками, не менее: при нормальном режиме - 8-12 ч, при форсированном режиме-6 ч.

Общую площадь ∑F скорых фильтров следует определять по формуле

∑F=Q / (T_cmv_н-3,6n_прwt₁-n_прt₂v_н), м²

где Q- полезная производительность станции, м³/сут; Т_сm - продолжительность работы станции в течение суток, ч; v_н- расчетная скорость фильтрования при нормальном ре­жиме, м/ч,; n_пр — число промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации (принимается 2-3); со - интенсивность промыв­ки, м³/м², промывки фильтра в ч, 5-10 мин; t₂- время про­стоя фильтра в связи с промывкой, принимаемое для фильтров, промываемых водой - 0,33 ч, водой и воздухом - 0,5 ч.

Количество фильтров на станциях производительностью более 1600 м³/сут должно быть не менее четырех. При производительности станции более 8-10 тыс. м³/сут коли­чество фильтров ориентировочно можно определять с округлением до ближайших це­лых чисел (четных или нечетных в зависимости от компоновки фильтров) по формуле

n_ф=0,5√F_ф

Предельные потери напора в фильтре следует принимать для открытых фильтров - до 3-3,5 м в зависимости от типа фильтра, для напорных фильтров - до 6-8 м.

Высота слоя воды над поверхностью загрузки в открытых фильтрах должна быть не менее 2 м; превышение строительной высоты над расчетным уровнем воды - не ме­нее 0,5 м.

При выключении части фильтров на промывку скорость фильтрования на осталь­ных фильтрах надлежит принимать постоянной или повышающейся; при этом скорости фильтрования не должны превышать величину v_ф, указанную в таблице ниже.

Характеристика фильтрующего слоя и скорости фильтрования

Примечание: Расчетные скорости фильтрования и режима промывки фильтрующего материала уточняются в процессе технологических изысканий, выполненных на воде конкретного водоисточника.

Для удаления воздуха из трубопровода, подающего воду на промывку фильтров, следует предусматривать стояки-воздушники диаметром 75-150 мм с установкой на них запорной арматуры или автоматических устройств для выпуска воздуха; на коллекторе фильтрата надлежит также предусматривать стояки-воздушники диаметром 50-75 мм. количество которых следует принимать при площади фильтра до 50 м² - один, при боль­шей площади - два (в начале и конце коллектора), с установкой на стояках вентилей или других устройств для выпуска воздуха.

Опорожнение фильтра необходимо предусматривать через распределительную си­стему и отдельную спускную трубу диаметром 100-200 мм (в зависимости от площади фильтра) с задвижкой.

В условиях, когда водяной или водовоздушной промывки фильтрующего слоя в восходящем потоке воды оказывается недостаточно, может быть предусмотрена допол­нительно верхняя промывка загрузки с помощью верхней неподвижной или вращаю­щейся системы дырчатых труб.

При неподвижном устройстве для дополнительной верхней промывки загрузки ин­тенсивность следует принимать 3-4 л/(см²), напор 30-40 м. Продолжительность промыв­ки 5-8 мин, из них 2-3 мин до проведения нижней промывки. Распределительные трубы следует располагать на расстоянии 60-80 мм от поверхности загрузки через каждые 700-1000 мм. Расстояние между отверстиями в распределительных трубах или между насадками необходимо принимать 80-100 мм. При вращающемся промывном устройст­ве интенсивность промывки следует принимать 0,5-0,75 л/(см²), с напором 40-45 м.

При загрузке фильтров керамзитом интенсивности промывки следует принимать в пределах 12-15 л/(см²) в зависимости от марки керамзита (большие интенсивности от­носятся к керамзитам большей плотности).

Для сбора и отведения промывной воды следует предусматривать желоба полу­круглого или пятиугольного сечения. Расстояние между осями соседних же­лобов должно быть не более 2,2 м.

Сечение желобов различных конструкций

Ширину желоба В_жел надлежит определять по формуле

q_жел- расход воды по желобу, м³/с; а_жел - отношение высоты прямоугольной части желоба к половине его ширины, принимаемое от 1 до 1,5; К_жел - коэффициент, принима­емый равным: для желобов с полукруглым лотком - 2, для пятиугольных желобов -2,1.

Вернуться к списку