Качество воды

Таблица 3.3.4

Вспомогательная таблица к выбору типа осветлителя

Qо в м3 / сутки	Основные показатели	Тип осветлителя
		круглый тип IV	прямоугольный тип V
		с центральным осадкоуплотнителем
2000	N∙ F1 A или A ∙В Н мин	3∙8 1 ∙3,2 3,6	3∙8 1 ∙3; С = 0,6 3,6
5000	N∙ F1 A или A ∙В Н мин	3∙ 20 1,25∙5 3,75	3∙ 20 2∙ 5; С = 1 4,2
10000	N∙ F1 А или А∙В Н мин	∙30 1,6 ∙ 6,2 4	30 2 ∙6 ; С = 1,2 4,2

где : N – число осветлителей

F₁ – площадь одного осветлителя

А – расчетный линейный параметр

В – длина или диаметр осветлителя

С – ширина по верху зоны отделения осадка

3.4 Расчет осветлителей для проектируемой станции водоочистки

Предположим, что проектируемые осветлители должны выдавать осветленную воду с m = 10 мг / л на группу фильтров, работающих в режиме, который допускает изменение скорости фильтрования при отключении одного из фильтров на промывку или ремонт. Расчетная подача воды на фильтры Q_о = 12 000 м³ / сутки (летний период ). Зимний расход на объекте водопотребления Q_з = 10 000 м³ / сутки.

Расчетные показатели, характеризующие качества исходной воды для летнего периода: М = 300 мг / л, Ц = 40 град; для зимнего периода: сернокислого неочищенного алюминия – 60 мг / л в расчете на безводный продукт; извести – 45 мг / л в расчете на СаО.

В соответствии с высотной схемой полная глубина осветлителей не должна превышать 4,5 м. Размеры помещения, в котором разместятся осветлители вместе с фильтрами, должны быть не более 24 60 м. Число фильтров – 7, их ширина ( в осях ) – 5,5 м , общая длина – 34 м.

Расчетные расходы. Прикидочные расчеты по формулам 3.3.1 и 3.3.2 при расчетных значениях v_з.о = 1 мм / сек, Kр = 0,75, v_з.о = 0,8 мм / сек, Кр = 0,8, принятых по таблице 3.3.1 позволили установить, что для расчета зон осветления исходным должен быть зимний расход, который с учетом собственных потребностей фильтров в этот период, оцениваемых в 5%, равен Q_ф’ = 10000 м³ / сутки.

Исходным расходом для расчета осадкоуплотнителя и всех элементов осветлителя является наибольший (летний ) расход Q_ф = 10 500 м³ / сутки.

Расчетные расходы ( пока приближенно ) определяют по формулам 3.3.7 при t_пр = 0,3 ч и n = 4 ( с последующей проверкой при полученном на основании дальнейших расчетов t _пр ).

Расчетный расход для зон осветления

Расчетный расход для осадкоуплотнителей

Q₀^ЗУ= 1,05 ∙12000=12600 м³/сутки

Определим далее: число, тип и основные размеры осветителей. Из таблицы 3.3.4 (справочник : Проектирование водопроводных очистных сооружений. Автор Н.Б Серебряков, М : стройиздат 1984 г ) следует что при расчетном расходе около 10 000 м³ / сут и при использовании осветлителей с поддоными осадкоуплотнителями необходимая глубина осветлителей составит около 8 м при допустимой по высотной схеме не более 4,5. Поэтому на станции должны быть применены осветлители с центральным осадкоуплотнителем типа (рис. 3.3.1 – 3.3.2).

Общая площадь зон осветления определяется по формулам 3.3.1 и 3.3.2 при значениях Кр и v_з.о , принимаемых по таблице 3.3.1 для содержания взвеси до 100 мг /л в зимний период : v_з.о = 0,8 мм / сек, Кр = 0,75.

F_з.о = = 114 м³

Общая площадь зон отделения осадка по расходу Q_о^з.у = 10590 м³ / сутки определяется по формуле при значениях v_з.о = 1 мм / сек, Кр = 0,7 , принимаемых для М_о = 100 – 400 мг / л .

Полная площадь F = 114 + 50 = 164 м²

Число осветлителей должно быть не менее четырёх.

Тогда площадь одного осветлителя

F₁ = 164 / 4 = 40 м²

При F₁ = 40м² основные размеры равны : диаметр осветлителя 8 м, центрального осадкоуплотнителя D_з.отд = 5м, А = 1,5м, Нмин = 3,9м. При однорядном расположении осветлителей параллельно фильтрам необходимая длина зала для их размещения не будет превышать 60м, а требуемый стандартный пролет здания – 24 м;

Необходимая длина зала для размещения осветлителей и фильтров может быть ограничена стандартной величиной 54 или 60м.

Из сравнения ясно определилась техническая возможность и экономическая целесообразность применения на станции осветлителей V типа.

Высотные размеры осветлителя в м принимаются по рекомендациям СниП, изложенными выше :

глубина зоны осветления – 1,5

расстояние от нижней границы зоны осветления до сечения, где вертикальные стенки переходят в наклонные – 1,5

глубина сужающей части при значении α₁ = 50

полная глубина – 4,1

( проверка по формуле Н >1,9 ∙ 1,85 = 3,5м )

высота бортов – 0,5

Наибольшая концентрация взвеси в воде, поступающей на осветлитель, определяется по формуле

М_о = М + К_кД_к + 0,25ц + М_из

где М – расчетное содержание взвешенных веществ в исходной воде

Д_к –расчетная доза коагулянта по безводному продукту мг/л

К_к – переводной коэффициент : для Аl₂(S0₄)₃ он равен 0,55, для FеСl₃ и FеSO₄ – 0,8

Ц – расчетная цветность исходной воды в град

М_из – колличество нерастворимых веществ. вводимых с Са(ОН)₂ – мг/л

Тогда М_о = 300 + 1 60 + 0,25 20 + 45 = 410 мг/л

Принимая расчетное время уплотнения осадка t_у = 6ч, а среднюю концентрацию осадка при 6 часовом уплотнении δ_ср = 27000 мг/л определяем необходимый обьем осадкоуплотнителя по формуле

Объем осадкоуплотнителя, полученный конструктивно, значительно больше необходимого по расчету, что дает возможность в процессе эксплуатации осветлителей увеличить в случае необходимости межпродувочной период.

Расчетное время продувки осадкоуплотнителя определяется по формуле 3.3.8

Добавляя время на подготовку продувки и ввод осветлителя в работу после продувки, принимаем t_пр = 0,3ч.

Глава 4. Осветление воды фильтрованием.

4.1 Основные положения процесса фильтрования.

Полное или частичное удаление из воды взвешенных веществ фильтрованием осуществляется в открытых или напорных фильтрах, состоящих из корпуса, фильтрующего слоя, дренажной или распределительной системы, системы подачи на фильтр осветляемой воды и отвода промывной воды. Дренажная система обычно служит также для распределения по площади фильтра промывной воды.

Интенсивность процесса фильтрования характеризуется скоростью фильтрования, представляющей собой частное от деления расходы фильтруемой воды на площадь фильтрующего слоя. Скорость фильтрования выражают в м/ч, т.е. количеством воды в м³, фильтруемой через 1 м³ площади фильтрующего слоя в течение 1 ч.

Фильтрование воды через фильтрующий слой происходит под действием разности давлений на выходе в фильтр и на выходе из него. Разность давлений для открытого фильтра равна разности отметок поверхности воды в фильтре и пьезометрического напора в трубе, отводящей фильтрат.

Разность давлений воды до и после фильтрующего слоя называется потерей напора в фильтрующем слое. Потеря напора в начальный момент работы фильтра, называемая начальной потерей напора, равна потере напора при фильтровании чистой, не содержащей взвешенных веществ воды, через чистый фильтрующий слой. Начальная потеря напора в фильтрующем слое зависит от скорости фильтрования воды, ее вязкости, размера и формы пор фильтрующего слоя, его толщины.

По мере загрязнения фильтрующего слоя задерживаемыми из воды взвешенными веществами потеря напора возрастает до некоторой величины, характеризующей сопротивление предельно загрязненного фильтрующего слоя.

Фильтрующий слой может состоять из не связанных друг с другом зерен фильтрующего материала либо представлять собой жесткий каркас в виде сетки, ткани или пористой керамики.

По достижении предельной потери напора или при ухудшении качества фильтрата фильтрующий слой нужно очистить от задержанных им загрязнений промывкой или другим способом.

По характеру фильтрующего слоя фильтры разделяются на:

1. Зернистые, в которых фильтрующий слой состоит из зерен песка, дробленого кварца, антрацита, мрамора, магнетита и др.;

2. Сетчатые, в которых фильтрующим слоем служит сетка с отверстиями, достаточно малыми для задержания из воды взвеси;

3. Тканевые, в которых фильтрующим слоем служит ткань (хлопчатобумажная, льняная, сукно, капроновая или стеклоткань);

4. Намывные, в которых фильтрующий слой образуется из вводимых в воду фильтрующих порошков, откладывающихся в виде тонкого слоя на каркасе фильтра; в качестве фильтрующих порошков применяют диатомит, древесную муку, асбестовую крошку и др., а каркасом могут служить пористая керамика, металлическая сетка, синтетическая ткань.

Наиболее широкое распространение в промышленном и коммунальном водоснабжении получили зернистые фильтры. Сетчатые фильтры применяют главным образом для грубой очистки воды, микросетчатые – для удаления из воды планктона.

Тканевые фильтры находят применение в полевом водоснабжении; намывные – при очистке маломутных вод для небольших предприятий или поселков и для очистки воды плавательных бассейнов.

Зернистые фильтры по скорости фильтрования разделяют на медленные (скорость фильтрования менее 0,5 м/ч), скорые (скорость фильтрования 2-15 м/ч) и сверхскоростные (скорость фильтрования более 25 м/ч).

Скорые фильтры могут быть напорными и открытыми. Медленные фильтры выполняют открытыми, сверхскоростные фильтры – напорными.

По крупности зерен фильтрующего слоя зернистые фильтры разделяют на мелкозернистые (медленные фильтры) с размером зерен верхнего слоя песка менее 0,4мм, среднезернистые (размер зерен верхнего слоя песка 0,4-0,8мм) и крупнозернистые (размер зерен верхнего слоя песка более 0,8мм), обычно применяемые для частичного осветления воды.

Фильтрующий слой скорых фильтров может состоять из однородной по размеру и удельному весу зерен загрузки (обычные скорые фильтры) и неоднородной загрузки (например, двухслойные фильтры, в которых нижний слой – кварцевый песок, а верхний слой – дробленный антрацит).

В медленных фильтрах фильтруемая вода обычно движется через фильтрующий слой сверху вниз. В скорых фильтрах направление движения фильтруемой воды через фильтрующий слой может быть различным. В обычных и двухслойных фильтрах фильтруемая вода движется сверху вниз; в контактных осветителях – снизу вверх; в двухпоточных фильтрах АКХ – снизу вверх и сверху вниз. В последних фильтрах отводится из фильтра через дренажную систему, расположенную в фильтрующем слое.

По мере загрязнения фильтрующего слоя задерживаемыми из воды взвешенными веществами потеря напора в нем будет возрастать, а скорость фильтрования при неизменном напоре – снижаться.

Фильтры могут работать с переменной скоростью фильтрования (большей в начале цикла и меньшей в конце) или с постоянной скоростью фильтрования. Постоянство скорости фильтрования обеспечивается специальными устройствами – регуляторами скорости фильтрования.

Через некоторый период времени от начала работы фильтра потеря напора в фильтрующем слое увеличится настолько, что скорость фильтрования станет ниже расчетной и производительность фильтра снизится.

Для восстановления пропускной способности фильтра его фильтрующий слой должен быть очищен от задержанных из воды загрязнений. В медленных фильтрах это достигается обычно удалением верхнего слоя загрязненного песка с последующей его промывкой; в скорых фильтрах промывка фильтрующего слоя производится непосредственно в самих фильтрах.

Продолжительность работы фильтра между чистками или промывками (включая время на промывку) называется продолжительностью фильтроцикла. Она зависит от характера и количества содержащихся в воде взвешенных веществ, от скорости фильтрования, крупности и пористости фильтрующей загрузки. В скорых фильтрах для промывки фильтрующего слоя через него пропускают осветленную воду снизу вверх с интенсивностью, достаточно для взвешивания фильтрующей загрузки в восходящем потоке промывной воды.

4.2 Фильтрующие материалы для зернистых фильтров.

В качестве фильтрующих материалов для зернистых фильтров в настоящее время применяют кварцевый речной или карьерный песок, дробленые кварц и антрацит, мрамор, магнетит, керамическую крошку, керамзит.

Крупность зерен фильтрующего материала и их однородность характеризуются данными ситового анализа, который позволяет определить следующие показатели:

1. 10% диаметр (d₁₀) фильтрующего материала, т.е. диаметр шара, равновеликого зерну фильтрующего материала, мельче которого в данном материале имеется 10% зерен по весу;

2. 50% диаметр (d₅₀), т.е. диаметр шара, равновеликого зерну фильтрующего материала мельче которого имеется 50% зерен по весу (d_ср);

3. коэффициент неоднородности зерен фильтрующего материала, равный отношению 80% диаметра фильтрующего материала к 10% диаметру.

Ситовой анализ фильтрующего материала заключается в рассеве высушенного образца средней пробы на калиброванных ситах и определении процента материала, оставшегося на каждом сите.

Для загрузки фильтров должны применяться по возможности хорошо промытые однородные пески с коэффициентом неоднородности во всех случаях не более 2,2 (желательно не более 1,75).

Антрацитовую крошку для загрузки фильтров изготовляют из антрацита марок АП, АК и АС-мытое. Антрацит должен иметь удельный вес в пределах 1,6-1,7, насыпной вес 0,7-0,9т/м³ и при дроблении превращаться в зерна кубической или близкой к шару формы. Антрацит слоистого строения для загрузки в фильтры непригоден. Зольность антрацита должна быть не выше 5%, а содержание серы в нем должно быть не более 3%.

4.3 Поддерживающие слои.

Поддерживающие слои размещают между фильтрующим слоем и дренажем фильтра. Назначение поддерживающих слоев заключается в предотвращении выноса фильтрующего материала из фильтра вместе с фильтратом. Кроме того, поддерживающие слои служат для улучшения распределения промывной воды по площади фильтрата.

Гравий или щебень, используемые в качестве поддерживающих слоев, должны быть устойчивы против измельчения и истирания, химические стойки, не должны содержать больше 10% частиц известняка.

Поддерживающие слои должны состоять по возможности из однородных частиц. В каждом слое размер наиболее крупных зерен не должен более чем в 2 раза превышать размер самых мелких зерен этого же слоя (например, 2-4, 4-8, 8-16, 16-32мм).

Размер самых мелких зерен верхнего поддерживающего слоя, на который укладывается фильтрующий слой, должен быть в 2 раза больше, чем размер самых крупных зерен фильтрующего слоя. Толщину поддерживающих слоев в фильтрах, оборудованных дренажными системами большого сопротивления, принимают в соответствии с приведенными ниже данными.

Крупность зерен в мм	Толщина слоя в мм
32-16	Верхняя граница слоя должна быть на 100мм выше отверстий дренажной системы
16-8	100
8-4	100
4-2	50

Для предотвращения сдвига поддерживающих гравийных слоев может использоваться укладка поверх поддерживающих слоев плит из беспесчаного макропористого бетона или пригрузка верхнего поддерживающего слоя (2-4мм) обратным фильтром толщиной 20-25см из крупного (16-32мм) гравия.

4.4 Скорые фильтры.

Скорые фильтры предназначены для удаления из воды взвешенных и коллоидных веществ, как правило, после укрупнения их коагулированием в прочные агрегаты, задерживаемые зернистой загрузкой.

При фильтровании воды сверху вниз на скорых фильтрах осветление воды достигается в результате двух одновременно протекающих процессов – задержания наиболее крупных частиц взвеси в пленке на поверхности фильтрующего слоя и адгезии (сцепления) или абсорбции скоагулированных более мелких частиц поверхностью зерен фильтрующего слоя.

При оптимальной коагуляции и надлежащем подборе загрузки скорого фильтра его фильтрат обычно содержит не более 1 мг/л взвешенных веществ.

По мере работы фильтра увеличивается количество задержанных им загрязнений – нарастает толщина пленки на поверхности песка, увеличивается количество загрязнений, отложившихся в толще фильтрующей загрузки, и глубина их проникания в песок, возрастает сопротивление фильтра, снижается скорость фильтрования.

Если крупность загрузки и толщина фильтрующего слоя выбраны правильно, то предельно допустимая потеря напора в фильтре наступит практически в тоже время, когда частицы загрязнений начнут проникать через загрузку в фильтрат.

Глубина проникания взвеси в толщу фильтрующего слоя возрастает с увеличением скорости фильтрования и диаметра его зерен. Поскольку скорость возрастания потери напора растет с уменьшением диаметра зерен и увеличением скорости фильтрования, в практике водоподготовки наметилась тенденция к увеличению крупности зерен при одновременном повышении высоты фильтрующего слоя, что позволяет увеличить скорость фильтрования, не допуская увеличения мутности фильтрата.

Мутность фильтрата и продолжительность фильтроцикла зависят не только от мутности поступающей на фильтры воды, дисперсности содержащейся в ней взвеси, скорости фильтрования и размера зерен, но и от прочности хлопьев скоагулированных загрязнений воды.

При содержании в осветляемой воде прочных хлопьев взвеси, например при введении в воду перед фильтрами или отстойниками активированной кремниевой кислоты, полиакоиламида (ПАА) или других флокулянтов,мутность фильтрата в течение всего фильтроцикла остается минимальной, и фильтр выключают на промывку по достижении предельной потери напора. При содержании в воде непрочных хлопьев мутность фильтрата непостоянна в течение фильтроцикла – при достижении потери напора в фильтре некоторой величины, меньшей чем предельная, начинается разрушение задержанных фильтром хлопьев и вынос загрязнений в фильтрат. В этом случае фильтр выключают на промывку не по потери напора, а по проскоку взвеси. Продолжительность фильтроцикла сокращается, увеличивается расход промывной воды.

Введение в воду непосредственно перед фильтрами ПАА или активированной кремниевой кислоты в очень небольших количествах (0,015мг/л ПАА, 0,05мг/л SiO^2-₃) позволяют значительно повысить продолжительность фильтроцикла при одновременном снижении мутности фильтрата. Активированная кремниевая кислота для цветных вод имеет по эффективности и стоимости преимущества перед ПАА.

Когда начинается проскок взвеси в фильтрат или когда величина потери напора становится предельной, производят промывку фильтрующего слоя.

Фильтры могут быть открытыми или напорными.

Открытый безмешалочный скорый фильтр (рис.4.1) представляет собой обычно прямоугольный в плане резервуар. На дне его расположена дренажная система, служащая для отвода фильтрата и распределения промывной воды по площади фильтра при его промывке.

Над дренажем находятся поддерживающие гравийные слои и поверх них фильтрующий слой. Выше фильтрующего слоя устраивают желоба, служащие для отвода из фильтра при его промывке грязной промывной воды. По этим желобам в фильтр подается фильтруемая вода.

Сравнение стоимости строительства и эксплуатации фильтровальных станций равной производительности, но с разным числом фильтров и разными их размерами показало, что для станций малой и средней производительности (до 30 000м³/сутки) наиболее экономично принимать четыре фильтра при строительстве станций в одну очередь и шесть фильтров при строительстве станций в две очереди, если четыре фильтра обеспечивают водопотребление первой очереди.

4.5 Напорные скорые фильтры.

Напорные фильтры представляют собой стальные цилиндрические резервуары со сферическими днищами. Они бывают вертикальные и горизонтальные.

Конструкция вертикального фильтра диаметром от 1000 до 3400мм приведена на рис.4.2 и в табл. 5.1. Трубчатая дренажная система изготовляется из обычной стали. На ее штуцера навертывают фарфоровые или пластмассовые щелевые колпачки.

Вертикальные напорные фильтры, выпускаемые в СССР, имеют максимальную площадь фильтрования 9,1м², что обеспечивает их производительность на водах различного качества от 50 до 90м³/ч.

Так как по экономическим соображениям желательно иметь на станции от четырех до шести фильтров, вертикальные напорные фильтры следует применять на станциях производительностью не более 300 – 500м³/ч.

Таблица 4.1

Размеры и веса вертикальных напорных фильтров.

показатель	Размеры и вес фильтров при их диаметре в мм
	1000	1500	2000	2600	3000	3400
Высота слоя загрузки в мм	1000	1000	1000	1000	1000	1000
Размеры в мм: Высота фильтра Н Диаметр D1 Патрубков d	2912 720 80	3298 1000 125	3620 1400 150	4000 1600 200	4370 2000 250	4530 2200 250
Вес фильтра без арматуры в кг	1050	1780	2120	3755	4845	6360
Нагрузочный вес в т	4	8,5	15	28	37	50

Схема фильтра с эжекторной промывкой фильтрующего слоя показана на рис.4.3. Фильтр имеет коническое дно, в нижней части которого по вертикальной оси фильтра установлен эжектор. Выходная труба эжектора проходит через всю толщу фильтрующего слоя до кромки водосборных желобов, размещенных вдоль наружных стенок фильтра.

Дренажная система фильтра из щелевых труб расположена выше перехода конического дна в цилиндрическую часть фильтра в толще фильтрующей загрузки.

Осветляемая вода поступает в водосборные желоба и через их кромки в фильтр, где она профильтровывается сверху вниз через фильтрующую загрузку до дренажной системы, через которую фильтрат отводится из фильтра.

4.6 Расчетных основных параметров фильтров.

Основными параметрами, определяющими работу фильтра, являются скорость фильтрования, а также гранулометрический состав и толщина слоя фильтрующего материала. Значения этих трех величин связаны между собой и определяются требованиями, приведенными в таблице 4.2

Таблица 4.2

Основные расчетные параметры скорых фильтров

тип фильтра	Характеристика фильтрующего слоя	vр.н в м/ч	vр.ф в м/ч
	dмин в мм	dмакс в мм	dэ в мм	Кн	высота слоя в мм
однопоточные	0,5	1,2	0,7- 0,8	2- 2,2	700	6	7,5
с однородной	0,7	1,5	0,9-1	1,8-2	1200-1300	8	10
загрузкой различной крупности	0,9	1,8	1,1-1,2	1,5-1,7	1800-2000	10	12
Кварцевый песок
двухслойные	0,5	1,2	0,8	2	400-500
Антрацитовая крошка	10	12
	0,8	1,8	1,1	2	400-500
двухпоточные	0,5	1,5	0,9	2-2,2	1450-1650	12	15

Необходимая площадь фильтров определяется по средней расчетной скорости при нормальном режиме работы установки wр.н, когда фильтры поочередно или попарно отключаются для производства операций, связачных с их промывкой.

При ремонте ( перегрузке ) одного или одновременно двух фильтров ( в зависимости от их числа ) остальные фильтры работают в форсированном режиме при расчетной скорости фильтрации

(4.1)

где v_р.ф – расчетная скорость фильтрации при форсированном режиме;

N- общее число фильтров ;

N₁ – число одновременно ремонтируемых фильтров.