3.3. Расчет сооружений второй ступени

3.3.1 Расчёт скорых фильтров

В качестве второй ступени очистки на станциях очистки поверхностных вод используется фильтрование.

Однослойный скорый фильтр 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 карман скорого безнапорного фильтра, из него через желоб поступает в пространство над фильтрующим материалом, создавая столб воды. Под действием сил гравитации вода просачивается через фильтрующий материал, очищаясь от взвешенных частиц. Затем проходит слой гравия и отводится при помощи дренажных устройств.

Двухслойные фильтры конструктивно аналогичны однослойным

скорым фильтрам, но имеют в сравнении с ними следующие преимущества: грязеёмкость двухслойного фильтра в 2-2,5 раза больше, чем у однослойного, они позволяют увеличить скорость фильтрования и удлинить фильтроцикл.

Особенностью любых фильтров является восстановление фильтрующей способности путем промывки фильтрующего слоя обратным то-

ком воды. В результате гидродинамического воздействия потока промыв-

ной 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.

Для интенсификации процесса промывки может использоваться водовоздушная промывка и др.

1. Для расчета скорых фильтров выбирают их тип и состав фильтрующей загрузки

Принимаем скорый фильтр с двухслойной загрузкой из дробленого керамзита.

Суммарная площадь фильтров F_ф, м², определяется по формуле:

где Т – продолжительность работы очистной станции в течении суток,

ч, обычно Т = 24 ч;

V_н=5 м/ч – расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме эксплуатации.

n_пр – число промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации, при Т = 24 ч рекомендуется принимать n_пр = 2;

ω=12 л/с м² – интенсивность водяной промывки.

t₁ =6 мин=0,1 ч– продолжительность водяной промывки, ч.

t₂ =0,33 ч– время простоя фильтра в связи с промывкой, ч.

2. Количество скорых фильтров на станции определяем по формуле:

Площадь одного фильтра составит

Назначаем размеры фильтра:

- ширина В_ф=4,5 м;

- длина

Принимаем конструкцию фильтра с боковым карманом.

3. Проводят проверку скоростей фильтрования в нормальном и форсированном режимах работы фильтров.

С учетом фактической площади фильтров уточняют скорость фильтрования при нормальном режиме, м/с:

Скорость при форсированном режиме составит, м/с:

где N_рем – количество фильтров, находящихся на ремонте; при N_ф < 20

принимают N_рем =1.

При выключении части фильтров на промывку скорость фильтрования не должна превышать V_ф. При работе фильтров с постоянной скоростью фильтрования следует предусматривать над нормальным уровнем воды в фильтре дополнительную высоту.

где h_доп – дополнительная высота отстойника, м:

где W_доп – объем воды, накапливаемый за время промывки одного

фильтра, м³:

где N_ф – количество скорых фильтров на станции, шт;

t₂ – время простоя фильтра в связи с промывкой, 0,33 ч.

4. С учетом принятой площади фильтров и скорости фильтрования

при нормальном режиме уточняется коэффициент, учитывающий расход

воды на собственные нужды станции:

Процент расхода воды на промывку фильтра составит, %:

где Т_р – продолжительность работы фильтра между двумя промывками,

ч:

где Т_о – продолжительность рабочего фильтроцикла, при нормальном

режиме работы фильтра Т_о = 8-12 ч.

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

5. Тогда высота фильтра Н_ф, м, составит:

Н_ф = Н_фс + Н_пс + h_в + h_б = 0,5 + 0,1 + 2 + 0,5=2,65 м ,

где h_в – высота слоя воды над поверхностью слоя загрузки, м, h_в ≥ 2 м;

h_б – высота бортика фильтра, м; принимается h_б ≥ 0,5 м.

6. Распределительная система фильтров предназначена для равно-

мерного сбора фильтрованной воды с площади фильтра, а также для равномерного распределения промывной воды по площади фильтра. На станции очистки следует предусматривать дренажные (распределительные)

системы большого сопротивления в виде стальных перфорированных труб.

Расчет данной системы ведут исходя из расхода промывной воды на

один фильтр, м³/с:

Диаметр коллектора распределительной системы d_кол, м, определяют

исходя из рекомендаций скорости движения воды в начале коллектора

V =0,8 м/с:

Полученный диаметр коллектора d_кол округляем до стандартного и

уточняем скорость воды в начале коллектора V_кол.

d_кол=1,0 м.

Расстояние от низа ответвлений до дна фильтра принимаем 80 мм.

Общее количество ответвлений n_отв на каждом фильтре составит:

где m_отв – расстояние между осями ответвлений в распределительной

системе, м; назначают m_отв = 0,25 м.

Расход промывной воды q_отв, поступающей через одно ответвление,

м³/с, определяем по формуле:

Исходя из данного расхода и рекомендуемой скорости V_отв =1,6-2,0

м/с определяем диаметр одного ответвления, принимают стандартный и

уточняют фактическую скорость в ответвлении.

Полученный диаметр коллектора d_кол округляем до стандартного и

уточняем скорость воды в начале коллектора V_кол.

d_кол=0,07м.

Длина каждого ответвления l_отв, м, определяется по формуле:

где d^н _кол =0,902 м– наружный диаметр коллектора.

В скорых фильтрах с боковым карманом ответвления примыкают

под углом 90° к распределительному коллектору.

На ответвлениях трубчатого дренажа при наличии поддерживающих

слоев в нижней части труб ответвлений под углом 45° к низу от вертикали в два ряда в шахматном порядке следует предусматривать отверстия диаметром d_о=10-12 мм; общая площадь этих отверстий f , м², должна составлять 0,25-0,5% от рабочей площади фильтра F_ф1. Расстояние между осями отверстий должно быть в пределах 0,15-0,2 м.

Общая площадь отверстий в распределительной системе , м²:

Определяем площадь одного отверстия в трубе ответвления f₀, м²:

Общее количество отверстий в распределительной системе каждого фильтра :

Количество отверстий n_о.ф, приходящееся на каждое ответвление:

Шаг оси отверстий на ответвлении е_о, м:

7. Для сбора и отведения промывной воды на фильтрах над поверхностью фильтрующей загрузки предусматривают желоба пятиугольного или полукруглого сечения.

Для фильтров с боковым карманом:

.

Определяем фактическое расстояние между осями желобов l₁,

м, по формуле:

Расход промывной воды, приходящийся на один желоб, q_ж, м³/с:

Площадь поперечного сечения желоба f_ж , м², в месте его присоединения к сборному каналу определяем по формуле:

где B_ж - ширина желоба, м; определяется по формуле:

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; а_ж = 1,0.

Определяем высоты прямоугольной h_пр, м, и нижней h_ниж, м, частей желоба по формулам:

Полезная высота желоба h_полез, м, составит:

Конструктивная высота желоба h_к, м, с учетом превышения кромки

желоба над уровнем воды в нем на 8 см, определяется по формуле:

С учетом толщины днища желоба δ общая высота желоба H_ж, м, определяется по формуле:

где δ - толщина днища желоба, м; 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

Н_ж-з, м, определяется по формуле:

где а₃=45% - относительное расширение фильтрующей загрузки.

Т.к. Н_ж-з < H_ж, то

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 (канала) Н_кан, м, следует

определять по формуле:

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

В_кан - ширина кармана (канала), м; принимается не менее 0,7 м.

Ширина канала В_кан 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 0,2 м ниже дна желоба.

Скорость движения воды в конце сборного канала V_кан , м/с, определяем по формуле:

Рекомендуемая скорость движения воды в сборном канале составляет

V_кан ≥ 0,8 м/с.

9. Потери напора в фильтре при промывке фильтра определяются

следующим образом.

Потери напора в распределительной системе, м:

где ξ_кол - коэффициент сопротивления коллектора, определяется:

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

Потери напора в фильтрующем слое загрузки, м:

h_фс = (a + b ⋅ω )⋅Н_фс =(0,85+0,004⋅12)*0,5=0,45 м.

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

Потери напора в поддерживающих гравийных слоях загрузки, м:

h_пс = 0,22⋅ω ⋅Н_пс=0,22⋅12⋅0,1=0,26 м.

При использовании промывных насосов необходимый напор, м, развиваемый ими определяют по формуле:

где h₃ - запас напора (на первоначальное загрязнение фильтра); принимаем h₃ =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:

где Н_РЧВ - глубина воды в РЧВ, м.

Производительность промывных насосов должна составлять м³/ч:

При промывке фильтра от бака промывной башни отметка дна бака

определяется по формуле, м: где z_РЧВ - отметка нижнего уровня воды в РЧВ, м.

Объем бака промывной башни составит, м³:

Насос для подачи воды из РЧВ в бак для промывки фильтров должен

обеспечивать его пополнение за время между промывками. Напор насоса, составит:

где Σ h_РЧВ-пб - сумма потерь напора в трубопроводе, подводящем воду от

резервуара чистой воды (РЧВ) к баку промывной башни (включает потери

по длине и местные потери), м.

10. В нижней части фильтра для полного его опорожнения предусматривают трубопровод диаметром 100-200 мм, входное отверстие которого защищают сеткой или решеткой. Дну фильтра придают уклон 0,005 в направлении сбросного трубопровода.