Практическая работа № 10 Расчет скорых безнапорных фильтров с двухслойной загрузкой

Цель работы – изучить принципы расчета параметров очистных сооружений и закрепить теоретические знания.

Общие сведения

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, то 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 с 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 полу­плавающих 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.

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. Расчетные скорости фильтрования, необходимая интенсивность для их промывки и другие технологические параметры работы фильтров приведены в таблице 2.7.

Для глубокой очистки сточных вод (до 5 мг/л), согласно СНиП, принимаются двухслойные фильтры с подачей воды сверху – вниз, рисунок 2.9. Загрузка состоит из антрацита (верхний слой) и кварцевого песка (нижний слой). Поддерживающим слоем служит гравий.

Материал загрузки	Крупность загрузки, мм	Коэффициент неоднородности (не более)	Высота слоя загрузки, м	Скорость фильтрования, м/ч	Интенсивность промывки, л/(см2)
					водной	воздушной
Кварцевый песок-	0,8-1,8 1,5-2,5	1,8 2	1,5-2 2,5-3	10-12 13-15	6-8 6-8	15-20 18-25
Дробленый антрацит	0,8-1,8 1,5-2,5	1,8 2	1,5-2 2,5-3	10-12 13-15	6-8 6-8	13-15 16-20

Таблица 2.7

Рисунок 2.9 - Схема скорого фильтра: - 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

В соответствии с СНиП фильтры загружаются:

• антрацитом с крупностью зерен 0,8...1,8 мм и толщиной слоя 0,4 м;

• кварцем с крупностью зерен 0,5...1,2 мм и толщиной слоя 0,6 м;

• гравием с крупностью зерен 2,0...32,0 мм и толщиной слоя 0,6 м.

Общая толщина всей загрузки фильтра H составит 1,6 м. Высота слоя воды над поверхностью загрузки принимается h = 2,5 м > 2 м.

Определение размеров фильтра

Исходные данные для примера:

• полная (полезная) производительность фильтровальной станции Q_сут = 38083,6 м³/сут, или Q_час = 1803,2 м³/ч, или q_сек = 500,88 л/с;

• продолжительности работы станции T = 24 ч;

• скорости при нормальном режиме V_р.н. = 7÷10 м/с;

• интенсивности промывки w = 14 л/(с∙м²);

• продолжительность этапа промывки t₁ = 0,12 ч;

• время простоя фильтра в связи с промывкой t₂ = 0,33 ч;

• число промывок фильтра в сутки n = 2÷3:

Суммарная площадь (F, м²) фильтров с двухслойной загрузкой определяется:

Количество фильтров (N, шт.) должно быть:

Площадь одного фильтра 218,1/8 = 27,3 м² с размером в плане 5,25,25 м.

Скорость фильтрования при форсированном режиме ( , м/с) составит:

что удовлетворяет требованиям СНиП (здесь N₁ - количество фильтров, находящихся в ремонте).

Расчет распределительной системы фильтра

Расход промывной воды, поступающей в распределительную систему, при интенсивности промывки w = 14 л/(с∙м²):

л/с

Диаметр коллектора распределительной системы принят d_кол = 600 мм, скорость движения промывной воды V_кол = 1,2 м (рекомендуемая скорость 1,0...1,2 м/с).

При размере фильтра в плане 5.25.25 м длина одного ответвления составит:

м ,

где D_кол = 630 мм - наружный диаметр коллектора (по ГОСТ 10704 - 76 и ГОСТ 8696 - 74)

Количество ответвлений на каждом фильтре при шаге оси ответвлений z = 0,22 м составит: шт. Ответвления размещаем по 24 шт. с каждой стороны коллектора.

Диаметр стальных труб ответвлений принимаем d_отв = 80 мм (ГОСТ 3262-75), тогда скорость входа промывной воды составит - (при расходе 382/48 = 7,96 л/с) V = 1,6 м/с.

В нижней части ответвлений под углом 60 к вертикали предусматриваются отверстия диаметром 10÷14 мм. Принимаем отверстия d = 14 мм площадью каждое f_отв = 1,54 см². Отношение площади всех отверстий на ответвлениях распределительной системы к площади фильтра принимаем 0,25...0.3%. Тогда

м² или 683 см².

Общее количество отверстий в распределительной системе каждого фильтра шт.

В каждом фильтре имеется по 48 ответвлений. Тогда количество отверстий на каждом ответвлении 444/48 = 10 шт. Шаг оси отверстий e₀ = 2,39/10 = 0,24 м = 240 мм.

Расчет устройств для сбора и отвода воды при промывке фильтра

При расходе промывной воды на один фильтр q_пр = 382 л/с и количестве желобов n_ж = 3 расход воды, приходящейся на один желоб, составит q_ж = 382/3 = 127,3 л/с = 0,13 м³/с. Расстояние между осями желобов e_ж = 5,25/3 = 1,75 м (должно быть не более 2,2).

Ширину желоба с треугольным основанием определяем по формуле:

м

где b = 1,57 + a; a = 1,0...1,5; K - коэффициент, принимаем равным 2,1 для пятиугольных желобов.

Высота желоба h₁ = 0,5∙B = 0,22 м, а с учетом толщины стенки полная его высота будет 0,22 + 0,08 = 0,3 м; скорость движения воды в желобе V = 0,56 м/с.

Высота кромки желоба над поверхностью загрузки:

м

где H - высота фильтрующего слоя, м; e - относительное расширение фильтрующей загрузки, %.

Расчет сборного канала

Загрязненная промывная вода из желобов скорого фильтра свободно изливается в сборный канал. Поскольку фильтр имеет площадь f = 17,3 м² < 40 м², он устроен с боковым сборным каналом. Расстояние от дна желоба до дна бокового сборного канала должно быть не менее:

м

где q_кан - расход воды в канале, м³/с; b_кан - минимально допустимая ширина канала, принимается равной 0,7 м.

Скорость течения воды в конце сборного канала при размерах поперечного сечения f_кан = 0,5 ·1,0 = 0,5 м², составит м/с.

Высота фильтра составит:

Исходные данные:

• полная (полезная) производительность фильтровальной станции Q_сут = 9000+500·N, м³/сут (N – номер по журналу).