Скорые безнапорные фильтры и напорные

Конструкций скорых фильтров много, но все они имеют общие по назначению конструктивных элементов: корпус, фильтрующую загрузку, водораспределительные и водоотводящие системы – желоба и каналы (при водовоздушной промывке дополнительно предусматривается воздухораспределительная система), обслуживающие трубопроводы. Расположение элементов фильтров, их количество и конструкции зависят от назначения фильтров, условий их применения, вида фильтрующего материала. На конструкцию скорых фильтров влияют также их размеры, количество фильтрующих слоев, направление фильтрования, наличие поддерживающих слоев, система промывки, вид водораспределительных систем.

Безнапорный скорый фильтр представляет собой прямоугольный в плане резервуар, высотой 3,5–5 м, внутри которого размещены водораспределительные и водосборные системы. На рис. 4.1 приведены схемы различных безнапорных скорых фильтров, отличающиеся расположением водораспределительных и водосборных устройств, а также направлением фильтрования.

В безнапорных фильтрах фильтрование с заданной скоростью осуществляется под действие гравитационных сил тяжести воды (фильтрование сверху вниз), или под действием создаваемого насосом или высокорасположенной емкостью давлением (фильтрование снизу вверх).

Размеры фильтра в плане обычно близки к квадрату. Высота фильтра определяется высотой загрузки и поддерживающих слоев, а также высотой слоя воды (обычно 2–2,5 м), который необходим для преодоления сопротивления движению фильтрационного потока, возрастающего по мере накопления в загрузке загрязнений.

Рис. 4.1. Схемы скорых фильтров: а – однослойный безнапорный фильтр с боковым каналом; б – двухслойный фильтр; в – двухпоточный фильтр; г – фильтр с центральным каналом; д – фильтр с плавающей загрузкой; е – однослойный фильтр с низким горизонтальным отводом промывных вод

При площади более 40 м² фильтры проектируют с центральным каналом, как показано на рис. 4.1. г, который разделяет корпус на две одинаковые секции. Канал разделен по горизонтали на два отсека: в нижнем располагается водораспределительный коллектор: верхний предназначен для распределения очищаемой воды и сбора промывной. Иногда коллектор в канале не устраивают и водораспределительные трубы выходят непосредственно из стенок канала. Ширина канала должна быть не менее 0,7 м. Площади каналов не входят в рабочую площадь фильтров.

Корпус фильтра выполняется железобетонным (редко металлическим) с толщиной стенок 0,2–0,5 м. Желательно применять типовые размеры фильтров (ширина х длина): 3,5х5; 5х5,5; 6х6; 6х7,5; 6х9; 6х12; 12х12 м.

В нижней части корпуса располагается нижняя распределительная система, вверху – распределительно–водосборная (желоба, водосливы, дырчатые трубы).

Схема однослойного фильтра с боковым каналом (карманом) приведена на рис. 4.2.

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

Исходная вода по трубопроводу 8 поступает в карман 2, откуда через отверстия в стенке перетекает в желоба 3. Переливаясь через верхние кромки желобов, вода фильтруется сверху вниз через фильтрующую загрузку 4, проходит поддерживающие гравийные слои 5 и собирается в трубы водораспределительной системы 6. Далее вода перетекает в коллектор 7 и отводится сначала по трубе 10, а затем по сборной трубе 11 в РЧВ. Промывная вода подается от промывных устройств (насоса или бака башни) по трубопроводу 12 в коллектор 7, проходит распределительные трубы 6, поддерживающие слои 5 и фильтрующую загрузку 4 снизу вверх. При этом происходит расширение загрузки и вымыв из нее загрязнений. Загрязненная промывная вода переливается через кромки в желоба 3, по ним перетекает в боковой карман 2 и по трубопроводу 9 отводится в техническую канализацию. Воздухоотводчик 13 устанавливается в верхней части коллектора с одной или двух сторон (при площади фильтра более 50 м²) для удаления перед промывкой защемленного воздуха.

Скорость фильтрования зависит от гранулометрического состава фильтрующего материала и обычно при нормальном режиме составляет 5–12 (до 15) м/ч. Чем мельче загрузка, тем меньше скорость и высота слоя загрузки. Увеличить скорость фильтрования можно, применив высокопористые материалы (см. табл. 3.1).

После окончания фильтроцикла фильтры промываются обратным потоком очищенной воды от специального промывного насоса или промывной башни. Для интенсификации процесса промывки и сокращения расхода промывных вод применяют водовоздушную промывку с дополнительной подачей воздуха от воздуходувки.

Двухслойные и многослойные фильтры. При фильтровании сверху вниз вода проходит сначала мелкозернистые слои загрузки, имеющие малые поры, но большую суммарную поверхность зерен. Это способствует накоплению в верхних слоях основной массы загрязнений и быстрому росту потерь напора. В двухслойных фильтрах верхний слой имеет размеры зерен крупнее, чем нижний, что способствует более равномерному распределению загрязнений во всей толще загрузки. Для того чтобы при промывке в результате гидравлической сортировки не происходило перемешивание загрузки, верхний слой выполняется из более легкого фильтрующего материала, чем нижний. Например, вверху размещают керамзит, внизу – кварцевый песок.

Известны и многослойные фильтры (до пяти слоев), в которых применены разнообразные материалы с плотностью от 3,5 до 1,3 г/дм³.

При проектировании многослойных фильтров важно правильно выбрать соотношение диаметров зерен загрузок соседних слоев, чтобы не происходило их перемешивание на границе раздела. Необходимо чтобы гидравлическая крупность самых крупных зерен вышерасположенного слоя загрузки была меньше, чем гидравлическая крупность самых мелких зерен нижнего слоя.

Двухпоточные фильтры. Для увеличения производительности фильтров, максимально используя их грязеемкость, АКХ им. Памфилова разработала фильтры, в которые исходная вода подается двумя потоками: большая часть расхода подается через нижнюю водораспределительную систему и фильтруется снизу вверх, а меньшая – сверху вниз, поступая в фильтр через желоба. Сбор очищенной воды производится через верхний трубчатый дренаж, расположенный почти в центре толщи загрузки.

Эти сооружения вызывают затруднения при эксплуатации из-за опасности засорения промежуточного дренажа фильтрующим материалом, особенно при промывке. Поэтому промывку ведут следующим образом: сначала промывная вода в небольшом количестве подается в верхний дренаж и производится взрыхление верхнего слоя, затем через нижний дренаж подается основной промывной поток. Одновременно небольшой расход воды подается в верхний дренаж для создания противодавления в трубопроводе, препятствующего попаданию в него загрузки.

Разработаны двухпоточные, двухслойные фильтры (ДДФ) повышенной грязеемкости, в которых применена двухслойная загрузка.

Радиальные фильтры. Повышению грязеемкости фильтров способствует увеличение скорости фильтрования по ходу движения потока очищаемой воды. Этот принцип применен в радиальных фильтрах, конструкции НГАСУ (рис. 4.3) , где очищаемая вода движется горизонтально в радиальном направлении – от периферии к центральной трубе. Скорость фильтрации постепенно повышается, создавая наилучшие условия для проникновения загрязнений во всю толщу загрузки.

Рис. 4.3. Схема радиального фильтра: 1 – подача сжатого воздуха; 2 – радиальный корпус; 3 – центральная водосборная труба осветленной воды; 4 – водосборные желоба промывной воды; 5 – кольцевая водораспределительная камера; 6 – боковой карман; 7 – сброс промывной воды; 8 – подвод воды на промывку; 9 – колпачковая распределительная система; 10 – внутренняя пористая перегородка; 11 – отвод осветленной воды в РЧВ; 12 – распределительный трубопровод для воздуха 13 – фильтрующая загрузка; 14 – внешняя пористая перегородка

Распределение воды производится кольцевой камерой, расположенной вокруг радиального корпуса и отделенной пористой перегородкой. Профильтрованная вода собирается центральной трубой с пористыми стенками. Фильтрующая загрузка (предпочтительнее высокопористая дробленая: горелые породы аргиллит, аглопорит, альбитофир, гранодиорит) с крупностью зерен 1,2–2,0 мм выполняется слоем до 2–2,5 м. Для распределения сжатого воздуха и промывной воды используется безгравийная система с щелевыми длинноствольными колпачками.

Режим промывки предусматривает: подачу воздуха с интенсивностью 20 л/с∙м² в течение 5 минут; совместную подачу воздуха с той же интенсивностью и подачу воды с интенсивностью 6 л/с∙м² в течение 10 мин; подачу воды с интенсивностью 12 л/с∙м² в течение 5 мин.

Скорость фильтрования, отнесенная к поверхности наружной пористой перегородки, принимается равной 20 м/ч. При этом скорость фильтрования, отнесенная к площади сечения радиального корпуса в плане, ограничивается величиной 25 м/ч.

Кольматация пористой перегородки предотвращается периодической обработкой фильтра хлорной водой с концентрацией активного хлора 10–12 мг/дм³ в течение 6–12 ч.

Фильтры рекомендуются для предварительной очистки питьевых и доочистки сточных вод.

Двухступенчатые фильтры разработаны Е.В. Сошниковым и С.Н. Фоминым (ДВГУПС) и представляют собой два скорых фильтра, объединенных в единый корпус (рис. 4.4). Вода движется последовательно через фильтр первой ступени снизу вверх, а затем, пройдя сборный канал, фильтруется через фильтр второй ступени. Самотечное движение через обе ступени обеспечивается тем, что фильтр первой ступени оборудован системой низкого отвода через водослив. При этом создается постоянный уровень излива воды в центральный соединительный канал. Вторая ступень фильтра имеет традиционную конструкцию с желобами.

В первой ступени фильтра фильтрация осуществляется в направлении убывающей крупности зерен загрузки, чем обеспечивается высокая грязеемкость. Работа первой ступени обеспечивает предварительную очистку воды и допускает проскок загрязнений до 10 мг/л. Вторая ступень осуществляет доочистку воды до питьевого стандарта.

Двухступенчатые фильтры могут применяться при мутности исходной воды до 150–200 мг/л и цветности до 150 градусов. Скорость фильтрования диктуется первой ступенью и составляет 4,5–5,5 м/ч. Эффективная работа двухступенчатого фильтра требует тщательного подбора фракционного состава загрузок ступеней фильтра. Промывка фильтра водовоздушная при обычных параметрах воды и воздуха.

Рис. 4.4. Конструкция двухступенчатого фильтра: 1 – первая ступень; 2 – водослив с пескоулавливающим желобом; 3 – центральный соединительный канал; 4 – вторая ступень фильтра; 5 – отвод промывной воды; 6 – водосборные желоба; 7 – загрузка второй ступени фильтра; 8 – водораспределительная система фильтра второй ступени; 9 – коллектор фильтра второй ступени; 10 – коллектор фильтра первой ступени; 11 – водораспределительная система фильтра первой ступени; 13 – загрузка второй ступени фильтра; 14 – струенаправляющий уступ

Одним из достоинств двухступенчатых фильтров является возможность введения дополнительных реагентов, воздуха, окислителей в канал перед второй ступенью фильтрования, что расширяет сферу их эффективного применения.

Фильтры с плавающей загрузкой. Для промывки традиционных фильтров с тяжелыми фильтрующими материалами требуются специальные устройства (насос, башня), что удорожает их эксплуатацию. В фильтрах с загрузкой из легких (меньше плотности воды) материалов не требуется значительный напор при промывке. Кроме того, для фильтров с плавающей загрузкой (ФПЗ) часто можно обойтись без сложных нижних сборно-распределительных систем.

В качестве фильтрующей загрузки обычно используют гранулированный вспененный полистирол, шунгизит и замкнуто-ячеистые плавающие гранулы из других материалов с размером зерен от 0,3 до 10–15 мм.

Разработано несколько конструкций ФПЗ с восходящим и нисходящей фильтрацией, некоторые из которых показаны на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Схемы фильтров с плавающей загрузкой: а – однослойные с восходящим потоком воды (ФПЗ-1);

б – двухслойные с восходящим потоком воды (ФПЗ-6); в – однослойные с нисходящим потоком воды (ФПЗ-3);

1 – канал (карман); 2 – корпус; 3 – удерживающая решетка; 4 – фильтрующая загрузка; 5 – распределительный трубопровод;

6 - отвод промывной воды; 7 – отвод фильтрата; 8 – подвод воды на очистку; 9 – крупнозернистая загрузка

Фильтрующий слой из плавающих гранул фильтрующей загрузки в воде формируется иначе, чем слой из тяжелых материалов: сверху располагаются крупные зерна, обладающие по закону Архимеда наибольшей подъемной силой, а снизу – мелкие.

Основной проблемой эксплуатации ФПЗ – подвижность загрузки, из-за которой она может быть легко вынесена потоком воды из фильтра. Для предотвращения выноса в фильтрах над загрузкой устанавливается удерживающая решетка или сетка.

Промывка фильтра осуществляется тем запасом воды, который накапливается над слоем загрузки. Для выполнения промывки следует лишь открыть задвижку на трубопроводе, отводящем промывную воду, поскольку напора воды достаточно для расширения загрузки.

В ФПЗ фильтрование снизу вверх аналогично фильтрованию сверху вниз в традиционных фильтрах с тяжелыми загрузками. При фильтровании сверху вниз реализуются преимущества фильтрования в направлении убывающей крупности зерен.

Для создание двухслойного фильтра нижний слой загрузки формируют из гранул более крупного размера, чем в верхнем слое, но имеющих большую плотность. Например, верхний слой составляет пенополистирол с диаметром зерен 0,6–0,8 мм, а нижний – гранулы полувспененного полистирола размером 1,2–1,5 мм. Подробно об ФПЗ описано в [10].

Напорные фильтры

Напорные фильтры применяются при малой производительности станций водоочистки. В промышленном водоснабжении принято называть их осветлительными или механическими. Они изготавливаются из металла, полной заводской готовности и рассчитаны на различную производительность и разное давление.

Напорные осветлительные фильтры, применяемые для очистки воды, классифицируются:

– по расположению корпуса: вертикальные и горизонтальные;

– по числу камер фильтрования: одно-, двух- и трехкамерные;

– по количеству слоев фильтрующего материала: одно- и двухслойные.

На рис. 4.12. приведены схемы некоторых осветлительных фильтров. Стрелками показано направление движения воды в режиме фильтрования.

Фильтры серийно выпускаются заводами и оборудуются верхними и нижними распределительными системами (дренажами), системами воздушного взрыхления загрузки, системами гидроперегрузки фильтрующего материала, запорно-регулирующей арматурой. Все это позволяет обеспечить быстрый монтаж оборудования, надежную работу и высокий уровень эксплуатации фильтров.

Рис. 4.12. Принципиальные схемы напорных фильтров: 1 – вертикальный однокамерный однослойный;2 – двухпоточный; 3 – двухслойный; 4 двухкамерный; 5 – горизонтальный однопоточный

Вертикальные фильтры позволяют обеспечить большую высоту фильтрующего материала, горизонтальные требуют здания меньшей высоты, двухслойные и двухпоточные фильтры предназначены для увеличения эффекта очистки воды, двухкамерные фильтры располагаются на меньшей производственной площади, нежели однокамерные. В напорные фильтры вода подается насосами, поэтому их можно располагать на произвольной отметке..

Напорные фильтры загружаются зернистыми материалами, аналогичными применяемыми в открытых фильтрах. При использовании гранодиорита и других загрузок из горных пород, отличающихся повышенной образивностью, поверх дренажа укладывают поддерживающий слой из гранодиорита или щебня диаметром зерен 2–5 мм и высотой 200–300 мм.

Конструктивно напорный фильтр представляет собой цилиндрический сосуд, работающий обычно под давлением до 0,6 МПа. Важнейшими элементами конструкции напорного фильтра являются дренажно-распределительные устройства, состоящие из трубчатой системы и предназначенные для равномерной подачи и сбора воды и сжатого воздуха по всей площади фильтра. Варианты расположения труб в нижней дренажно-распределительной системе

Конструкции дренажей разнообразны. Для равномерного распределения воды в распределительных трубах выполняются отверстия или щели с размером одной щели около 0,4 ± 0,1 мм. Наиболее эффективный дренаж – с применением специальных фильтрующих элементов (щелевых колпачков). Фильтрующие элементы в этих дренажах навинчиваются на патрубки, приваренные к распределительным трубам. Расположение элементов и схемы

В колпачках типа ФЭЛ фильтроблок располагается в верхней части, поэтому при взрыхлении фильтра поток воды с песком не повреждает соседние колпачки.

Нижнее дренажно-распределительные устройство испытывает большие нагрузки, создаваемые потоком воды и слоем фильтрующей загрузки. Поэтому это дренажное устройство расположено на слое кислотостойкого бетона, заливаемом на нижнее днище фильтра.

Имеются конструкции напорных фильтров, у которых колпачки устанавливаются в промежуточном (ложном) днище, отделяющем поддонное пространство от фильтрующей загрузки. Расположение и крепление колпачков производится по аналогии с безнапорными фильтрами, описанными выше.

Верхняя распределительная система обычно состоит из системы труб с равномерно распределенными по их длине отверстиями диаметром 10–15 мм. Иногда верхнее распределительное устройство выполнено в виде цилиндра с отверстиями по бокам. Применяется и простой излив воды из подводящего трубопровода. В этом случае для предотвращения выноса загрузки при промывке на высоте 30–40 см от верха фильтра устанавливают круглую водоотбойную пластину (тарелку).

Рис. 4.16. Пример установки фильтрующих элементов на ответвлении трубчатого дренажа напорных фильтров

В фильтре, как правило, имеется два люка, служащих для наблюдения за состоянием фильтрующего материала, для его загрузки и выгрузки, монтажа и ремонта внутренних устройств.

С целью отбора проб исходной воды и фильтрата на анализ предусмотрены пробоотборные линии с кранами, на которых одновременно располагаются манометры для контроля перепада давления в фильтре. Для отвода воздуха из фильтра к верхней его точке присоединен трубопровод воздушник. Пробоотборники при эксплуатации фильтра постоянно открыты. Сброс воды из пробоотборников и воздушника производится в сосуд, прикрепленный к стенке фильтра, и далее в техническую канализацию.

Фильтр оборудован трубопроводами для подвода и отвода обрабатываемой воды, подачи и отвода промывной воды, опорожнения и подачи сжатого воздуха.

В процессе фильтрования фильтрующая загрузка загрязняется, возрастает гидравлическое сопротивление фильтра и снижается скорость фильтрования. Перепад давления на входе и выходе воды в чистом фильтре составляет около 0,01 МПа. При достижении перепада давления величины 0,1–0,12 МПа фильтр отключается на промывку. Продолжительность работы фильтра между промывками зависит от загрязненности поступающей на него воды, при хорошей работе сооружений первой ступени очистки она составляет 18–24 часа. Более продолжительный, чем у открытых фильтров, фильтроцикл объясняется значительно большим располагаемым напором, который у безнапорных фильтров составляет лишь 2–2,5 м, а у напорных может достигать 10 м и более.

Промывка производится потоком воды и воздуха снизу – вверх. Интенсивность подачи воды и воздуха зависит от рода фильтрующего материала и принимается в соответствии с указаниями норм [6].

Известны конструкции самопромывающихся напорных фильтров. Их принципиальное отличие от самопромывающихся безнапорных – использование сифонов для автоматического включения режима промывки.

Фильтр с высокорасположенным баком промывной воды (рис. 4.17, а) работает следующим образом. Исходная вода через воздухоотделитель 4 по трубопроводу 6 через гидравлический затвор 8 подается в фильтр 9. Очищенная вода по водоотводящему трубопроводу 10 поступает в бак промывной воды 2 и после его наполнения через бачок разрыва струи 1 отводится по трубопроводу 11 в РЧВ. Когда напор в фильтре из-за возросшего сопротивления увеличится до величины, достаточной для саморазряжения сифона 5, вода из промывного бака подается на промывку фильтра под напором, созданным высотным положением бака. Промывная вода через сифон сливается в приямок 7. Промывка заканчивается при попадании воздуха в сифон через трубу 3 при опорожнении промывного бака.

Рис. 4.17. Схема самопромывающихся напорных фильтров: а – с высорасположенным промывным баком;

б – конструкции Л.А. Кульского и М.И. Медведева; 1 – бачок разрыва струи; 2 – бак промывной воды;

3 – труба для разрядки сифона; 4 – воздухоотделитель; 5 – сифон; 6 – подающий трубопровод;