2. Проектирование основных сооружений

При одноступенчатой очистки поверхностных вод на станция используется фильтрование. Это один из методов очистки воды путем пропуска жидкости через фильтрующий слой. При подготовке воды для хозяйственно-питьевых целей применяются скорые безнапорные однослойные фильтры с зернистой загрузкой. Эти сооружения являются тонкой очистки задерживают как взвешенные вещества, так и часть микроорганизмов и микрофлоры, понижая цветность воды. Однослойный скорый фильтр (рисунок 3.1) представляет собой открытый железобетонный резервуар, в котором на дренажной системе и поддерживающем гравийном слое уложен слой фильтрующего материала. Движение воды через фильтрующий слой происходит под действием разности давлений на входе в фильтр и на выходе из него. Очищаемая вода подается в пространство над фильтрующим материалом, создавая столб воды. Под действием сил гравитации вода просачивается через фильтрующий материал, очищаясь от взвешенных частиц, и отводится при помощи дренажных устройств.

О

Рисунок 2.1 Схема скорого безнапорного однослойного фильтра в рабочем положении: а) план и разрезы б) план дренажной системы:

1 – распределительный карман (сборный карман промывной воды); 2 – желоба; 3 – бассейн фильтра; 4 – фильтрующий слой; 5 – поддерживающий слой; 6 – дренажный коллектор (распределительный коллектор промывной трубы); 7 – труба для опорожнения фильтра; 8 – отводной канал; 9 – отвод первого фильтрата; 10 – диафрагма с дифманометром для регулирования скорости фильтрования; 11 – коллектор отвода фильтрата; 12 – подача промывной воды; 13 – отвод промывной воды; 14 – подача исходной воды; 15 – ответвления дренажной (распределительной при промывке) системы.

собенностью любых фильтров является восстановление фильтрующей способности путем промывки фильтрующего слоя обратным током воды. В результате гидродинамического воздействия потока промывной воды происходит расширение и взвешивание фильтрующей загрузки, сопровождающееся многочисленным соударениями отдельных зерен. При столкновении происходит отрыв прилипших к их поверхности загрязнений, которые потоком промывной воды выносятся за пределы фильтра.

2.1. Расчет скорых фильтров

Расчет скорых фильтров производится в соответствии с [1] в следующей последовательности:

1. Суммарная площадь фильтров F_ф, м²:

, м², (2.1.1)

где Т – продолжительность работы очистной станции в течении суток, принимается Т = 24ч;

V_н – расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме эксплуатации, принимается V_н = 7 м/ч;

n_пр – число промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации, при продолжительности работы станции Т = 24 ч, n_пр = 2;

ω – интенсивность водяной промывки, принимается 14 л/(с∙м²);

t₁ – продолжительность водяной промывки, принимается t₁ = 7 мин = 0,12 ч;

t₂ – время простоя фильтра в связи с промывкой; для фильтров, промываемых водой, t₂ = 0,33 ч.

2. Количество скорых фильтров на станции:

(2.1.2)

Площадь одного фильтра:

(2.1.3)

Размеры в плане фильтра составляют: В_ф = 4,5 м и L_ф=15,1м.

Уточним фактическую площадь одного фильтра:

(2.1.4)

Уточним фактическую площадь всех фильтров:

(2.1.5)

3. Проверка скоростей фильтрования в нормальном и форсированном режиме.

Скорость фильтрования при нормальном режиме:

(2.1.6)

Скорость фильтрования при форсированном режиме:

, (2.1.7)

где N_рем – количество фильтров, находящихся на ремонте; при N_ф < 20 принимают N_рем=1.

4. С учетом принятой площади фильтров и скорости фильтрования при нормальном режиме уточняется коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды станции:

(2.1.8)

Процент расхода воды на промывку фильтра:

(2.1.9)

где q- часовой расход: 175100 м³/сут = 7295,8м³/час;

Т_р – продолжительность работы фильтра между двумя промывками:

(2.1.10)

где Т_о – продолжительность рабочего фильтроцикла, при нормальном режиме работы фильтра продолжительность принимается Т_о=12ч; при форсированном - Т_о ≥ 6ч;

t₃ – продолжительность сброса первого фильтрата в сток, принимается t₃=0,17ч.

5. В качестве состава фильтрующей загрузки в проекте принимается активированный алюмосиликатный адсорбент (ААА), величина фракций фильтрующего материала составляет 2 мм.

Суммарную высоту фильтрующего слоя составляет:

(2.1.11)

где Н_пс – высота поддерживающих слоев фильтра, при крупности фильтрующего материала 2 мм, составляет Н_пс = 0,5м;

Н_фс – высота фильтрующего слоя, принимается Н_фс = 1,6 м;

h_в – высота слоя воды над поверхностью слоя загрузки, принимается h_в = 2 м;

h_б – высота бортика фильтра, принимается h_б=0,5 м.

6. Распределительная система фильтров предназначена для равномерного сбора фильтрованной воды с площади фильтра, а также для равномерного распределения промывной воды по площади фильтра. На станции очистки предусмотрена дренажная (распределительные) системы большого сопротивления в виде стальных перфорированных труб.

Расчет данной системы ведут исходя из расхода промывной воды на один фильтр:

(2.1.12)

Диаметр коллектора распределительной системы:

(2.1.13)

где V_кол – скорость движения воды в начале коллектора, принимается V_кол = 1,1 м/с.

Полученный диаметр коллектора округляем до стандартного d_кол = 1000 мм и уточняем скорость воды в начале коллектора:

Расстояние от низа ответвлений до дна фильтра принимают 80-120 мм.

Общее количество ответвлений на каждом фильтре:

(2.1.14)

г

Рисунок 2.1.2 Распределительная система большого сопротивления:

1 – коллектор; 2 – фильтрующий слой; 3 – поддерживающий слой; 4 – боковое трубчатые ответвление.

де m_отв – расстояние между осями ответвлений в распределительной системе, принимается m_отв = 0,3 м.

Расход промывной воды поступающей через одно ответвление:

(2.1.15)

Исходя из данного расхода и рекомендуемой скорости V_отв = 1,6‑2,0 м/с определяем диаметр одного ответвления d_отв = 0,75 мм и уточняем фактическую скорость в ответвлении V_отв = 1,66 м/с.

Длина каждого ответвления:

(2.1.16)

где – наружный диаметр коллектора, принимается по ГОСТ 10704-63 равным  = 0,114 м.

В скорых фильтрах с центральным каналом ответвления примыкают под углом 90° к его нижнему отделению.

На ответвлениях трубчатого дренажа при наличии поддерживающих слоев в нижней части труб ответвлений под углом 45° книзу от вертикали, рисунок 2, в два ряда в шахматном порядке следует предусматривать отверстия диаметром d_о = 10‑12 мм; общая площадь этих отверстий ∑f₀ (м²), должна составлять 0,25-0,5 % от рабочей площади фильтра F_ф1. Расстояние между осями отверстий должно быть в пределах 0,15-0,2м.

Общая площадь всех отверстий:

(2.1.17)

Площадь одного отверстия в трубе ответвления:

(2.1.18)

Общее количество отверстий в распределительной системе каждого фильтра:

(2.1.19)

Количество отверстий на каждое ответвление, составит:

(2.1.20)

Шаг оси отверстий на ответвлении определяется по формуле:

7. Для сбора и отведения промывной воды на фильтрах над поверхностью фильтрующей загрузки предусматривают желоба пятиугольного или полукруглого сечения, схема которых приведена на рисунке 2.1.3.

Число желобов на фильтре назначается исходя из расстояния между осями соседних желобов, которое должно быть не более 2,2 м, следовательно:

(2.1.21)

Рисунок 2.1.3 Поперечное сечение желобов для сбора воды: а) полукруглого; б) пятиугольного

Фактическое расстояние между осями желобов:

(2.1.22)

Расход промывной воды, приходящийся на один желоб:

(2.1.23)

Площадь поперечного сечения желоба в месте его присоединения к сборному каналу:

(2.1.24)

где g – ускорение свободного падения; g = 9,81 м/с²;

B_ж– ширина желоба:

, (2.1.25)

где К_ж - коэффициент, принимаемый равным для желобов с полукруглым основанием К_ж=2;

а_ж - отношение высоты прямоугольной части желоба к половине его ширины, принимем а_ж=1,5.

Высота прямоугольной частей желоба:

(2.1.26)

Высота нижней частей желоба:

(2.1.27)

Полезная высота желоба:

(2.1.28)

Конструктивная высота желоба с учетом превышения кромки желоба над уровнем воды в нем на 8 см:

(2.1.29)

С учетом толщины днища желоба общая высота желоба:

, (2.1.30)

где δ - толщина днища желоба, принимаем для ж/б желобов δ=0,06 м.

Кромки всех желобов в фильтре должны быть расположены на одном уровне и строго горизонтальны; лотки желобов должны иметь уклон 0,01 к сборному каналу.

Расстояние от поверхности фильтрующей загрузки до кромок желобов:

, (2.1.31)

где а_з - относительное расширение фильтрующей загрузки, принимается а_з = 30 %.

условие выполняется

8. В фильтрах со сборным карманом загрязненная промывная вода из желобов фильтра свободно изливается в сборный карман откуда отводится в сток. При этом отвод промывной воды с фильтра в сборный карман осуществляется без создания подпора на выходе воды из желоба.

Расстояние от дна желоба до дна кармана:

, (2.1.32)

где q_кан - расход воды по каналу, м³/с; q_кан = q_пр;

В_кан- ширина канала, принимается В_кан=0,7м.

Ширина канала должна быть не менее диаметра трубопровода, отводящего промывную воду из фильтра, т.к. конец данного трубопровода заделывается в железобетонной стенке канала.

Уровень воды в канале с учетом подпора, создаваемого трубопроводом, отводящим промывную воду, должен быть на 0,2м ниже дна желоба.

Скорость движения воды в конце сборного канала:

(2.1.33)

9. Потери напора в фильтре при промывке фильтра определяются следующим образом:

Потери напора в распределительной системе:

, (2.1.34)

где ξ_кол - коэффициент сопротивления коллектора:

(2.1.35)

где К_пер - коэффициент перфорации, равный отношению суммарной площади отверстий к площади поперечного сечения коллектора.

(2.1.36)

Потери напора в фильтрующем слое загрузки:

(2.1.37)

где а и b - параметры, зависящие от крупности зерен загрузки, при крупности зерен 1-2 мм: а = 0,85, b = 0,004.

Потери напора в поддерживающих гравийных слоях загрузки:

(2.1.38)

При использовании промывных насосов необходимый напор развиваемый ими:

, (2.1.39)

где h₃ - запас напора (на первоначальное загрязнение фильтра), принимается h_з = 1,5 м;

Σh - сумма потерь напора в трубопроводе, подводящем воду от резервуара чистой воды (РЧВ) к коллектору фильтра (включает потери по длине и местные потери), м;

Н_г.пн - геометрическая высота подъема воды промывными насосами от дна РЧВ до верхней кромки желобов фильтра:

м, (2.1.40)

где Н_РЧВ - глубина воды в РЧВ, принимается равной 5м;

Производительность промывных насосов:

По [7] подбираем промывочный насос - Wilo-A SP 475D.

Так как по расчетам, для безнапорных фильтров, требуется поддерживающие слои, которые могут смещаться в результате промывки, что не является достоинством данной системы, в проекте принимается дренажная система TRITON. Техническое решении в этой системы заключается в обмотке и приварки V-образной проволоки к U-образному каркасу. Такая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность. Все частицы соприкасаются с поверхностью только в двух точках. Стандартный размер щели составляет 150-350 микронов. При промывки в противотоке щели работают как сопла усиливая эффект промывки. Использование данной системы позволит уменьшить высоту загрузки (или увеличить объем фильтра), устранить поддерживающие гравийный слой и пространство под фильтром, увеличить интенсивность и время промывки, значительное продление работоспособности загрузки и фильтра и устранение ремонта дренажных систем, эти и многие другие преимущества позволят уменьшить эксплуатационные расходы по производству питьевой воды.