2. Проектирование сооружений

Очистные сооружения включают следующие основные элементы:

- микрофильтры;

- безнапорные сорбционные фильтры с нисходящим движение воды;

- узел обеззараживания (приготовление и дозирование ЭХА-растворов);

- узел приготовления регенерационных растворов;

- склады химических и регенерационных веществ (NaCl, Na₂CO₃, MgSO₄);

- насосно-силовое оборудование;

- другие помещения.

2.1 Микрофильтры

Перед подачей воды на сорбционные фильтры природная вода проходит очистку на микрофильтрах (рис.2), размещенных на площадке очистных сооружений. Т.к. в исходной воде могут присутствовать грубодисперсные примеси, плавающие примеси, насекомые, трава, водоросли, ветки и т.д., то процеживание на сетках необходимо. Это позволит не засорять верхние слои фильтра.

Основной частью этих сооружений является вращающийся барабан, обтянутый   сеткой.   Размер ячеек микрофиль­тров 40—70 мкм. Барабан погружен в воду на глу­бину 0,6—0,85 диаметра и вращается в камере со ско­ростью 0,1—0,5 м/с. Задерживаемые сеткой примеси смываются с нее промывной водой под давлением 0,15—0,2 МПа и удаляются вместе с ней. Расход промывной воды составляет 1—2% от коли­чества очищенной воды. Эффективность очистки воды на микрофильтрах — 40—60%.

Рисунок 2. Микрофильтр (продольный разрез и разрез по А-А)

1,10 — соответственно каналы отвода и подачи воды; 2 — сточная труба; 3 — воронка для сбора промывной воды; 4 - защитный кожух; 5 - коллектор промывной; 6 — барабан с микросеткой; 7 — водослив; 8 — пластинчатые разбрызгиватели; 9 — входная труба; 11 — камера микрофильтра; 12 — фильтрующие элементы;13-труба для полного опорожнения камеры.

2.2 Расчёт скорых фильтров

В качестве главной ступени очистки на станциях очистки поверхностных вод используется фильтрование через блок сорбционных фильтров путем пропуска жидкости через фильтрующий слой.

При подготовке воды для хозяйственно-питьевых целей широкое распространение получили скорые безнапорные фильтры с зернистой загрузкой в виде кварцевого песка, керамзита, антрацита и др. В КП в качестве загрузки выступает ААА с крупностью частиц 0,5-2 мм.

Однослойный скорый фильтр (рис.3) представляет собой открытый железобетонный резервуар, в котором 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-ААА, очищаясь от взвешенных частиц. Затем проходит слой гравия и отводится при помощи дренажных устройств.

Особенностью 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.

Продолжительность фильтроцикла (межпромывочный период) для вод средней мутности –2-е суток.

1. Суммарная площадь фильтров F_ф, м²:

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

V_н – расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме эксплуатации; V_н = 5 м/ч (для ААА)

n_пр – число промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации; при Т = 24 ч n_пр = 0,5 (продолжительность фильтроцикла 2 суток);

ω – интенсивность водяной промывки; ω = 14 л/с м²;

t₁ – продолжительность водяной промывки, ч; t₁ = 5 мин = 0,083 ч;

t₂ – время простоя фильтра в связи с промывкой, ч; t₂ = 20 мин = 0,33 ч.

2. Количество скорых фильтров на станции при производительности станции более 8-10 тыс.м³/сут ориентировочно определено с округлением до ближайших целых чисел (четных или нечетных в зависимости от компоновки фильтров) по формуле:

шт.

Оптимальное количество фильтров в зависимости от производительности станции определено с учетом методики, предложенной Ю. А. Мирохиным.

При этом количество фильтров на станции производительностью более 1600 м³/сут должно быть не менее четырех.

Площадь одного фильтра составит:

.

Назначенные размеры фильтра в плане:

- ширина В_ф = 4 м;

- длина = 7,7 м.

Принимаем конструкцию фильтра с боковым карманом.

Схема скорого безнапорного фильтра в рабочем положении представлена на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3. Схема скорого безнапорного 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; 7 – труба для опорожнения фильтра; 8 – отводный канал; 9 – отвод первого фильтра; 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.

Рисунок 4. Устройство однослойного скорого фильтра с боковым карманом: 1 – корпус; 2 – карман; 3 – желоб; 4 фильтрующая загрузка; 5 – поддерживающие гравийные (щебеночные)слои; 6 – водораспределительные трубы; 7 – коллектор; 8 – подача воды на очистку; 9 – отвод промывной воды; 10 – отвод фильтрата;

11 – сборный трубопровод профильтрованной воды; 12 – подача воды на промывку; 13 – воздухоотводчик

В данном КП отсутствуют поддерживающие гравийные слои, т.к. фильтрующая загрузка ААА с крупностью частиц 0,5 – 2мм, а ширина щели в распределительной системе – 0,35мм, т.е. загрузка не провалится в щель.

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

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

м/ч.

Скорость при форсированном режиме составит, м/ц:

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

м/ч.

При работе фильтров с постоянной скоростью фильтрования следует предусматривать над нормальным уровнем воды в фильтре дополнительную высоту отстойника h_доп, м:

где W_доп – объем воды, накапливаемый за время промывки одного фильтра, м³:

м³.

м.

4. С учетом принятой площади фильтров и скорости фильтрования

при нормальном режиме уточняется коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды:

.

Процент расхода воды на промывку фильтра составит, %:

Т_р – продолжительность работы фильтра между двумя промывками, ч:

где Т_о – продолжительность рабочего фильтроцикла, при нормальном режиме работы фильтра Т_о = 48ч (2 суток).

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

ч

%.

5. Высота фильтра Н_ф, м, составит:

Н_ф = Н_фс + h_доп + h_в + h_б ,

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.

Н_фс – высота слоя фильтрующей загрузки; Н_фс=2м.

Н_ф = Н_фс + h_в + h_б+ h_доп = 2 + 2 + 0,5 + 0,16 = 4,66 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 предусмотрены дренажные (распределительные) системы «TRITON» в виде дренажных панелей (см. рис. 5,6).

Рисунок 5. Схема фильтрационной камеры с дренажом «TRITON».

Рисунок 6. Общий вид дренажной системы «TRITON».

Расчет данной системы ведут исходя из расхода промывной воды на один фильтр, м³/с:

м³/с.

Рисунок 7. Схема одной панели распределительной системы «TRITON».

Рассмотрим простую щель (см. рис. 8) в распределительной системе «TRITON», которая представляет собой прямоугольник с размерами:

- длина щели L_щ = 150 мм;

- ширина щели В_щ = 0,35 мм.

Рисунок 8. Поперечный разрез щели.

Тогда площадь одной щели составит:

F_{щ 1} = L_щ·В_щ,

F_{щ 1} = 150·0,35 = 52,5 мм² = 52,5 10^-6 м².

Общая площадь щелей должна составлять 2 % от рабочей площади одного фильтра[1, стр.40]:

= F_{ф 1}·0,02,

= 30,8·0,02 = 0,616 м².

Количество щелей в фильтре:

N_щ = ,

N_щ = = 11734 шт.

Количество дренажных панелей:

N_д.п. = ,

N_д.п. = = 22 шт.

Промывной расход:

q_пр=ω*

q_пр=14*30,8=431,2 л/с

Расход, приходящийся на одну дренажную панель, рассчитан по формуле:

q _{1 д.п.} = ,

q _{1 д.п.} = = 19,6 л/с.

Подбор поперечного сечения распределительного канала:

Распределительный канал в плане представляет собой трапецию (см. рис. 9). Расчет канала ведем для начального и конечного сечения.

Рисунок 9. План распределительного канала.

Скорость движения воды в начале и в конце канала v_дв = 1,2 л/с.

Расход воды на входе q_н = 431,2 л/с.

Расход в последней точке канала q_к = 19,6 л/с.

Площадь поперечного сечения:

- в начале канала:

f_н = ,

f_н = = 0,36 м².

- в конце канала:

f_к = ,

f_н = = 0,016 м².

Примем ширину канала в начале b _{кан.нач} = 0,6м, тогда h _{кан.нач} будет равна 0,6м. Ширина канала в конце принята b _{кан.кон} = 0,13м, высота h _{кан.кон} =0,13м. Т.о. распределительный канал имеет квадратное поперечное сечение и уклон дна.

Распределительный канал накрыт пластиной с отверстиями (рис.10):

Рисунок 10. Пластина с отверстиями.

Количество отверстий равно количеству дренажных панелей, т. е. 22 отверстий, а следовательно расход q _{1 д.п}, приходящийся на одну дренажную панель , равен расходу, проходящему через одно отверстие

Диаметр отверстия , м, канала рассчитывают на основании уравнения неразрывности:

= ,

= = 0,02 м = 20 см.

Допущения:

- все отверстия приняты одинаковыми;

- через каждое отверстие проходит одинаковый расход, равный 19,6 л/с.

7. Для сбора и отведения промывной воды на фильтрах над поверхностью фильтрующей загрузки предусмотрены желоба полукруглого сечения (см. рис. 11).

Рисунок 11. Поперечное сечение полукруглого желоба для сбора воды.

Число желобов на фильтре назначено исходя из расстояния между осями соседних желобов, которое должно быть не более 2,2 м.

В КП принято =2 шт.

Фактическое расстояние между осями желобов l₁, м:

м.

м 2,2 м.

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

м³/с.

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

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

B_ж - ширина желоба, м; определяется по формуле:

,

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 = 1,2.

м.

м².

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

м

м

Полезная высота желоба h_полез, м, составит:

м

Конструктивная высота желоба h_к, м, с учетом превышения кромки

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

м.

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

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

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:

а₃ = 30% - относительное расширение фильтрующей загрузки [1, табл.9]

м.

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, определено по формуле:

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

В_кан - ширина кармана (канала), м; В_кан = 1,2 м.

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, определена по формуле:

Рекомендуемая скорость движения воды в сборном канале составляет

V_кан ≥ 0,8 м/с.

м/с.

Условие выполнено!

8. Потери напора в фильтре при промывке фильтра :

- потери напора в распределительной системе, м:

=1,2 м/с

=1,6 м/с – [1, стр.39]

ξ_кол - коэффициент сопротивления распределительного канала, устанавливается:

где k_пер - коэффициент перфорации, равный отношению суммарной площади щелей в панелях “TRITON” к средней площади поперечного сечения распределительного канала.

= ,

F кан = = =0,188 м²

= = 3.28

м

Потери напора в распределительной системе при промывке фильтра

не превышают 7 м вод. ст.

- потери напора в фильтрующем слое загрузки, м:

h_фс = (a + b ⋅ω )⋅Н_фс ,

h_фс = (a + b ⋅ω)⋅Н_фс = (0,85 + 0,004⋅14)·2 = 1,81 м.

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

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

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

Σh - сумма потерь напора в трубопроводе, подводящем воду от резервуара чистой воды (РЧВ) к каналу фильтра (включает потери по длине и местные потери), м; определена по q_пр = 431,2 л/с по табл. Шевелева: d = 600 мм, v = 1,44 м/с, i = 0,00418.

Σh = h_м + h_дл = 0,05∙i∙l + i∙l,

h_м – местные потери, м; составляют 5 %;

h_дл – потери по длине, м;

Σh = 1,05∙i∙l = 1,05∙0,00418∙50 = 0,22 м.

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

Н_РЧВ =4,8м - глубина воды в РЧВ(см.пункт расчет РЧВ)

м.

м.

Производительность промывных насосов, м³/ч:

м³/ч.

Подбираем 2 промывных насоса (один рабочий и один резервный).

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.

м.

8. В нижней части фильтра для полного его опорожнения предусматривают

трубопровод диаметром 150 мм, входное отверстие которого защищают сеткой или решеткой. Дну фильтра придают уклон 0,005 в направлении сбросного трубопровода.