Швидкі фільтри

Швидкі фільтри влаштовують при реагентній обробці води для повного прояснення та знебарвлення води, яка надходить із відстійників або прояснювачів із завислим осадом. Вода, що надходить на швидкі фільтри, не повинна містити завислих речовин більше 12 – 25 мг/дм³, а після фільтрування – не більше 1 – 1,5 мг/дм³. Цей процес здійснюється шляхом пропускання води крізь шар дрібнозернистого фільтруючого матеріалу певної висоти. Швидкий фільтр являє собою прямокутній в плані залізобетонний резервуар, завантажений фільтруючим шаром зернистого матеріалу з підтримуючими шарами гравію, під якими розміщена дренажна система для збору фільтрованої води і рівномірного розподілу промивної води. У верхній його частині закріплені жолоби для збору брудної промивної води, по ним же підводиться освітлювана вода з відстійників. Вздовж фільтра розміщується арматура управління.

В курсовому проекті приймаємо одношарові швидкі фільтри. Розмір фракцій фільтруючого матеріалу і висоту шару завантаження приймаємо за табл. 5.13.

Схема однопоточного швидкого фільтра наведена на рис. 5.6.

Визначаємо загальну площу фільтрів:

,м² (5.100)

де Q_ВВ – продуктивність водопровідної станції, м³/добу;

Т – час роботи очисних споруд протягом доби, Т = 24 год;

V_рн – розрахункова швидкість фільтрації за нормального режиму,

м/с, прийм. згідно табл. 5.13;

n – число промивок одного фільтра, прийм. 2 – 3;

w – інтенсивність промивки, л/с ∙ м², прийм. згідно табл. 5.14;

t₁ – тривалість промивки фільтра, год, прийм. згідно табл. 5.14;

t₂ – час простою фільтра у зв’язку із промивкою, прийм. для

однопоточних фільтрів – 0,33 год.

1 – шар фільтруючого завантаження; 2 – підтримуючий гравійний шар; 3 – дренажна розподільча система; 4 – збірно-розподільчий лоток; 5 – збірний карман; 6 – трубопровід подачі води на освітлення; 7 – запірна арматура; 8 – трубопровід відведення промивної води; 9 – трубопровід подачі води на промивку фільтра; 10 – трубопровід відведення освітленої води

Рис. 5.6 – Схема швидкого фільтра

Таблиця 5.13 – Характеристика фільтрувального шару і швидкості фільтрування

Фільтри	Матеріал заванта-ження	Діаметр зерен, мм	Коеф. неодно-рідності засипки	Висота шару,м	Швидкість філь-трування, м/год
min	max	екв	норм. режим	форс. режим
Одношарові швидкі	Кварцо- вий пісок	0,5 0,7 0,8	1,2 1,6 2,0	0,7-0,8 0,8–1,0 1,0-1,2	1,8-2,0 1,6-1,8 1,5-1,7	0,7-0,8 1,3-1,5 1,8-2,0	5 – 6 6 – 8 8 – 10	6 – 7,5 7 – 9,5 10 -12
Подріб-нений керамзит	0,5 0,7 0,8	1,2 1,6 2,0	0,7-0,8 0,8–1,0 1,0-1,2	1,8-2,0 1,6-1,8 1,5-1,7	0,7-0,8 1,3-1,5 1,8-2,0	6 – 7 7 – 9,5 9,5– 12	7 – 9 8,5-11,5 12-14
Швидкі із двошаровим завантаженням	Кварцо-вий пісок	0,5	1,2	0,7-0,8	1,8-2,0	0,7-0,8	7 – 10	8,5-12
Керамзит або антрацит	0,8	1,8	0,9-1,1	1,601,8	0,4-0,5	7 - 10	8,5-12

Число фільтрів орієнтовно визначаємо за формулою:

(5.101)

Швидкість фільтрації при форсованому режимі:

, м/год (5.102)

де N₁ – кількість фільтрів, що перебувають в ремонті, при N ≤ 20 – 1

фільтр, при N > 20 – 2 фільтра;

Якщо швидкість фільтрації при форсованому режимі відповідає вимогам, приведеним в табл. 5.13, то кількість фільтрів вибрана вірно.

Таблиця 5.14 – Параметри промивки завантаження швидких фільтрів

Фільтри і їхнє завантаження	Інтенсивність промивки, w, л/с∙м2	Тривалість промивки, t1, хв	Відносне розширення завантаження,%
З одношаровим завантаженням і екв. діаметрами зерен	0,5-1,2	12 – 14
0,7-1,6	14 – 16
0,8-2,0	16 – 18
З двошаровим завантаженням	14 - 16	6 - 7

Виходячи з прийнятого числа фільтрів, площа кожного з них складе:

f = F/N, м²

Приймаємо розміри фільтруючої поверхні a b, м (а > b).

Витрату промивної води, необхідної для промивки одного фільтра, визначаємо за формулою:

q = f · w, л/с (5.103)

При площі фільтруючої поверхні f < 30 м² приймаємо дренажну систему з боковим карманом, при f ≥ 30 м² приймаємо систему з центральним каналом, який розділяє корпус фільтра на 2 секції.

Для фільтрів з центральним каналом

Діаметр центрального колектора розподільчої системи D₁, мм, визначаємо за швидкістю руху промивної води V_к = 0,8 – 1,2 м/с за таблицями для гідравлічного розрахунку для сталевих труб [5]. Якщо прийняти відстань між осями відгалужень дренажу m = 0,25 – 0,35 м, то площу дна фільтра, що припадає на одне відгалуження розподільчої системи визначаємо з виразу:

f_відг.= , м² (5.104)

Кількість відгалужень становить: , шт. Витрата води на одне відгалуження буде складати: q_відг = f_відг · w, л/с.

За витратою q_відг, л/с, і орієнтовною швидкістю руху води біля входу у відгалуження V_відг = 1,6 – 2,0 м/с, визначаємо діаметр труб відгалужень d_відг, мм (V_відг, м/с, 1000і_відг) за таблицями для гідравлічного розрахунку для сталевих труб [5]. Відстань від низу відгалужень до дна фільтра 80 – 120 мм.

У відгалуженнях зроблені отвори діаметром d_отв = 0,01 – 0,012 м (10 – 12 мм). Загальна площа отворів в трубах відгалужень: , м². Тоді кількість отворів в дренажі буде дорівнювати:

, шт. (5.105)

Кількість отворів, що припадає на одне відгалуження: , шт.

Довжина відгалуження складає: l_відг = (а – D₁)/2, м. Тоді крок отворів: , мм. Крок отворів повинен бути: е_отв ≤ 150 – 200 мм. Отвори розташовуємо в два ряди в шаховому порядку під кутом 45° до дна.

Для фільтрів з боковим карманом

Оскільки центральний колектор у такій системі відсутній, то визначати його параметри немає потреби.

Кількість відгалужень становить: , шт. Витрата води на одне відгалуження буде складати: q_відг = f_відг · w, л/с. Діаметр труб відгалужень d_відг, мм (V_відг, м/с, 1000і_відг) та кількість отворів в них визначаємо за такою ж методикою, як і для системи з центральним каналом (за формулою 5.105).

Довжина відгалуження складає: l_відг = а / 2, м. Тоді крок отворів: , мм. Крок отворів повинен бути: е_отв ≤ 150 – 200 мм.

Для збору промивної і розподілу освітленої води приймаємо жолоби п’ятикутного перерізу і збірний канал. Відстань між їх осями l_ж = 2,2 м. Кількість жолобів дорівнює:

, шт. (5.106)

Величину n_ж округлюємо в бік більшого значення, кратного 2.

Визначаємо витрату води через один жолоб при промивці фільтра за формулою:

, м³/с (5.107)

Ширину жолоба визначаємо за формулою:

, м (5.108)

де К – коефіцієнт для п’ятикутного перерізу прийм. К = 2,1;

α – відношення висоти прямокутньої частини жолоба до половини

його ширини, прийм. α = 1 – 1,5.

Висота прямокутної частини жолоба визначається за формулою:

h_пр = 0,75 · B_ж, м

висота трикутної частини: h_тр = 0,5 · B_ж, м.

Конструктивна висота жолоба складе: h_кон = 1,25 · B_ж, м.

Кромки всіх жолобів повинні бути на одному рівні і суворо горизонтальні, для рівномірного переливання води по всій довжині їх кромок. Знаходимо відстань від кромок жолобів до рівня фільтруючого завантаження:

, м (5.109)

де Н – висота фільтруючого шару, м, прийм. за табл. 5.13 відповідно

до типу фільтра і крупності фільтруючого завантаження;

e – відносне розширення фільтруючого шару при промивці,

прийм. згідно табл. 5.14.

Відстань від дна жолоба до дна збірного каналу обчислюємо за формулою:

, м (5.110)

де q – витрата води, необхідна для промивки одного фільтра, м³/с;

В_к – ширина каналу, прийм. В_к = 0,8 – 1,2 м.

Тривалість роботи фільтра між промивками складе:

Т_роб = Т/2 - (t₁ + t₂ + t₃), год (5.111)

де t₃ – тривалість скиду першого фільтрата в каналізацію, прийм.

t₃ = 0,17 год.

Визначаємо витрату води на промивку фільтра:

(5.112)

де Q_ВВ – розрахункова витрата води, м³/год.

При кількості фільтрів N < 6 шт. швидкість фільтрування V_рн не збільшується до величини V_рф, а залишається постійною. За такого режиму роботи у фільтрах може накопичуватись вода. Об’єм води, який накопичується під час простою фільтра, який промивається, складає:

, м³ (5.113)

Додаткова висота шару води у фільтрі становить:

, м (5.114)

Загальна висота швидкого фільтра складає:

Н_ф^заг = 2 + Н + Н_п.ш.+ Н_зап + Н_дод, м (5.115)

де 2 – висота шару води над фільтруючим завантаженням, м;

Н_п.ш. – висота шару гравію, прийм. Н_пш = 0,35 – 0,5 м;

Н_зап – висота запасу, Н_зап = 0,5 м.

При кількості фільтрів N ≥ 6 шт. величина Н_дод.= 0.

Втрати напору при промивці фільтра визначаємо в такій послідовності:

1) в трубчастій розподільчій системі:

, м (5.116)

де V_к – швидкість на початку колектора, м/с;

V_відг – швидкість на початку бокового відгалуження, м/с;

K_w – коефіцієнт перфорації, визначаємо за формулою:

(5.117)

2) в підтримуючих шарах гравію:

, м (5.118)

3) у фільтруючому шарі:

, м (5.119)

де a^’ і b^’ – параметри, відповідно рівні 0,76 і 0,017 для кварцового

піску з розміром зерен 0,5 – 1,2 мм; 0,85 і 0,004 – для

зерен 1 – 2 мм;

4) в трубопроводі, що підводить промивну воду до загального колектора розподільчої системи, діаметр трубопроводу D_тр, мм, підбираємо за витратою q, л/с, та орієнтовною швидкістю V_тр = 1,5 – 2 м/с (V_тр, м/с, 1000і_тр) за таблицями для гідравлічного розрахунку для сталевих труб [5]; при довжині трубопровода l_тр = 50 м втрати напору в трубопроводі:

, м

5) на місцеві опори в фасонних частинах і засувках:

, м (5.120)

де ∑ζ – сума місцевих опорів: ζ₁ = 0,5 (для входу в трубопровід);

ζ₂ = 3 · 0,6 = 1,8 (для 3-ох відводів 90°); ζ₃ = 3 · 0,1 = 0,3 (для

3-х трійників на прохід); ζ₄ = 2 · 0,3 = 0,6 (для 2-х засувок).

Після цього підраховуємо суму втрат напору при промивці фільтра:

∑h = h₁ + h₂ + h₃ + h₄ + h₅, м

Граничні втрати напору у фільтрі 3 – 3,5 м.

На запроектованій водоочисній станції приймаємо водонапірну башту, з якої подається вода на промивку фільтрів. Місткість бака водонапірної башти визначаємо за формулою:

W_б = 3,6 · n' · w · f · t₁, м³ (5.121)

де n' = 2 – при одночасній промивці одного фільтра.

При відношенні висоти бака башти до його діаметра D/Н = 1, висота шару води в баці становить:

, м (5.122)

а діаметр бака D = Н_в · 1, м.

Відмітку дна бака башти визначаємо за формулою:

Z_б = Z_ж + Σh + h_з.н, м (5.123)

де Z_ж – відмітка верхньої кромки жолобів фільтра, м;

h_з.н. – запас напору, прийм. h_з.н. = 1,5 м.

Відмітку верхньої кромки жолобів визначаємо за формулою:

Z_ж = Z_з + 0,15 + Н_п.ш. + Н + Н_ж, м (5.124)

де Z_з – відмітка поверхні землі біля фільтрувальної зали згідно

генплану очисних споруд, м.

Тоді висота стовбура башти: Н_ст = Z_б – Z_з.б., м,

де Z_з.б – відмітка поверхні землі біля башти згідно генплану очисних

споруд, м.

Продуктивність насоса, який подає воду в башту, визначаємо за формулою:

, м³/год (5.125)

де k – коефіцієнт запасу, прийм. k = 1,5 – 2;

n – число робочих насосів, що подають воду в башту, прийм. n= 2.

Необхідний напір насоса: Н_нас = (Z_б + Н_в – Z_з) + ∑h + h_з.н., м.