Полная версия

Главная arrow БЖД arrow Водоснабжение

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Обработка воды фильтрованием

Фильтрование — один из способов осветления воды, позволяющий выделить из нее не только диспергированные, но и коллоидные примеси, которые задерживаются на поверхности или в межпоровом пространстве фильтрующего материала. Этот процесс сопровождается значительными затратами энергии, что определяет место фильтровальных сооружений в технологической схеме. В большинстве случаев фильтрование — заключительный этап при осветлении и обесцвечивании питьевой воды.

По виду фильтрующей основы фильтры делятся на тканевые или сетчатые (микрофильтры, барабанные сита, акустические фильтры и т. п.); каркасные или намывные; зернистые (песчаные, керамзитовые и т. п.). В технологиях улучшения качества воды распространены фильтры с зернистой загрузкой, которые классифицируют по следующим основным признакам:

  • • по скорости фильтрования: медленные (0,1—0,3 м/ч), скорые (5—12 м/ч) и сверхскорые (25—100 м/ч);
  • • по давлению, под которым они работают: безнапорные (открытые) и напорные;
  • • по направлению фильтрующего потока: однопоточные (обычные скорые и медленные фильтры), двухпоточные (фильтры АКХ и ДДФ) и многопоточные;
  • • по числу фильтрующих слоев: одно-, двух-, трех- и многослойные;
  • • по крупности зерен фильтрующего материала: мелко-, средне-, крупнозернистые.

Скорые фильтры с площадью более 30 м2 устраивают с центральным каналом, а при меньшей площади — с боковым карманом (рис. 5.19). Коагулированная и прошедшая предочист- ку вода подается в боковой карман, а из него — в камеру фильтра. Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна быть не менее 2 м. В процессе фильтрования вода проходит фильтрующий и поддерживающий слои, а затем поступает в распределительную систему, из нее — в резервуар чистой воды.

При промывке фильтров промывная вода поступает в распределительную систему и далее в фильтрующей слой, который она проходит снизу вверх, расширяя (взвешивая) его. Дойдя до верхней кромки желобов, промывная вода вместе с вымытыми из фильтрующего материала загрязнениями переливается в желоба, а из них в боковой карман и отводится в водосток.

Расчетную скорость фильтрования v (6—10 м/ч) и толщину слоя однослойной фильтрующей загрузки h (0,7—2,0 м) в соответствии с указанными ранее СНиП следует принимать в зависимости от крупности зерен загрузки.

Фильтрующий слой выполняют из отсортированного материала, чаще всего речного кварцевого песка крупностью от 0,5 до 2,0 мм. Могут быть применены и другие материалы, удовлетворяющие санитарным требованиям и обладающие достаточной химической стойкостью и механической прочностью (дробленый антрацит, керамзит, керамическая крошка, дробленый мрамор, полимеры и др.).

Скорый открытый фильтр

Рис. 5.19. Скорый открытый фильтр:

/, 8 — подача исходной и отвод фильтрованной воды; 2 — боковой карман; 3 — желоба; 4 — воздушник; 5, 6 — слой фильтрующей (песок, керамзит) и поддерживающей (гравий, щебень) загрузки; 7— распределительная дренажная система; 9, /0 — подача и отвод промывной воды; // — опорожнение фильтра

Поддерживающий слой (0,45—0,5 м), на котором лежит фильтрующий слой, укладывают с целью, чтобы мелкий фильтрующий материал не вымывался из фильтрующего слоя и не уносился вместе с фильтруемой водой через отверстия распределительной системы. Поддерживающий слой, в свою очередь, состоит из слоев гравия или щебня разной крупности, увеличивающейся сверху вниз от 2—5 до 20—40 мм. Толщина каждого слоя также увеличивается сверху вниз. Недостатком поддерживающих слоев является возможность их смещения при промывке, что нарушает работу фильтра.

Распределительная или дренажная система является важным элементом фильтра. Она должна собирать и отводить профильтрованную воду без выноса зерен фильтрующего материала, а при промывке — равномерно распределять промывную воду по площади фильтра. Для скорых фильтров применяют распределительные системы большого сопротивления. Равномерность распределения промывной воды по площади в таких системах достигается вследствие большого сопротивления движению воды через проходные отверстия.

Наиболее распространены трубчатые распределительные системы — чугунные, полимерные или стальные трубы с отверстиями 10—12 мм, укладываемые параллельно на расстоянии 0,25—0,35 м друг от друга на нижних слоях гравия и присоединяемые к коллектору (трубе большого диаметра) или каналу, расположенному в середине днища фильтра параллельно его длинной стороне (см. рис. 5.19). Отверстия в трубах располагаются вертикально или в шахматном порядке снизу под углом 45 град к вертикали. Общая площадь отверстий должна составлять 0,25—0,3 % площади фильтра.

В последние годы разработано много новых конструкций распределительных устройств. Из них наибольшее распространение получили щелевые и колпачковые системы, системы с применением пористых керамических или бетонных плит. Большим достоинством этих конструкций является то, что они дают возможность отказаться от поддерживающих слоев, благодаря чему уменьшается высота и, следовательно, стоимость фильтра; кроме того, устраняется опасность неравномерного распределения воды из-за смещения поддерживающих слоев при промывке.

Щелевое распределительное устройство представляет собой систему труб со щелями или ложное щелевое дно. Ширина щелей должна быть на 0,1 мм меньше размера самой мелкой фракции загрузки. Для трубчатого щелевого дренажа следует применять трубы из нержавеющей стали либо полиэтилена. Щели располагаются равномерно поперек оси по периметру трубы не менее чем в 2 ряда на расстоянии не менее 20 мм друг от друга. Общая площадь щелей составляет 1,5—2 % площади фильтра.

Колпачковая распределительная система монтируется в дренажном (ложном) дне или на распределительных трубах из расчета 35—50 колпачков на 1 м2 площади фильтра. Выпускают колпачки двух видов: щелевые пластмассовые (ВТИ-К) и фарфоровые (ВТИ) или пористые. Скорость движения воды или водовоздушной смеси в щелях колпачков принимают не менее 1,5 м/с. Общая площадь проходных отверстий всех колпачков должна составлять 0,8—1,0 % рабочей площади фильтра.

Распределительная система из пористых сборных керамических, полимербетонных или бетонных плит, устраиваемая в виде промежуточного днища, не требует поддерживающего слоя. Керамические плиты выпускаются размером 40 х 40 х 5 или 25 х 50 х 5 см. Размеры пор в плитах в два с лишним раза больше размеров пустот в фильтрующем слое при среднем диаметре зерен песка 0,75 мм. Поэтому загрязнения, прошедшие через фильтрующий слой, проходят и через пористый дренаж, практически не загрязняя его. Плиты изготавливают из пористого бетона и полимербетона сборными, реже монолитными. Замену плит производят через 7—8 лет.

Интенсивность промывки скорых фильтров принимается в зависимости от требуемого относительного расширения, типа загрузки, температуры воды и составляет 12—18 л/(с • м2). Продолжительность промывки 6—10 мин.

Поперечное сечение промывного желоба может быть с треугольным дном или полукруглым. Расстояние между желобами (по их осям) принимают в пределах 1,4—2,2 м. Дну желоба придается уклон 0,01 по ходу движения воды. Сборные желоба можно изготавливать из железобетона, металла или стеклопластика.

Вода подается на промывку специальным промывным насосом из резервуара чистой воды или из канала профильтрованной воды. Можно подавать воду и самотеком из специально установленного на требуемой высоте промывного бака или промывной башни. Объем бака должен быть рассчитан на две промывки (при промывке одного фильтра) или на три промывки (при одновременной промывке двух фильтров).

При реагентном умягчении воды или реагентном обезжелези- вании наряду с обычной промывкой целесообразно применять поверхностную с целью отмывки загрязнений в верхнем слое загрузки. Ее можно производить с помощью дырчатых неподвижных или вращающихся промывных труб, через которые под напором 0,3—0,4 МПа подается вода. Скорость в подводящих трубах 2,5—3 м/с, скорость выхода воды из отверстий 8—10 м/с, интенсивность промывки 3—4 л/(с • м2).

Теоретические основы очистки воды фильтрованием через зернистые материалы рассматривались многими исследователями. Наибольшее признание получила теория Д.М. Минца. Она экспериментально подтверждена и доведена до практического использования.

При фильтровании воды через слой зернистого материала в зависимости от заряда и соотношения размеров примесей воды и зерен фильтрующей загрузки могут наблюдаться следующие виды фильтрования: задержание примесей на поверхности фильтрующего слоя (пленочное фильтрование); задержание примесей в порах фильтрующего слоя (объемное фильтрование); одновременное образование примесями пленки и их отложение в порах загрузки.

В большинстве случаев на современных фильтрах пленка не образуется и примеси вместе с водой проникают в толщу фильтрующего слоя, при этом глубина проникновения загрязнений в толщу загрузки тем больше, чем больше скорость фильтрования, крупнее зерна фильтрующего слоя и меньше размеры частиц взвеси, извлекаемые из воды. В основе объемного фильтрования лежит предварительное коагулирование примесей воды с целью уменьшения и ликвидации их заряда. Так как при обычных значениях pH исходной воды поверхность зерен фильтрующего материала и частицы примесей воды несут отрицательный заряд, взвесь в порах фильтрующего слоя задерживается плохо.

На пленочном фильтровании основана работа медленных фильтров. Это процесс чисто механического извлечения из воды диспергированных примесей.

В технологии обработки воды наряду со скорыми фильтрами широко применяют контактные фильтры (КФ), двухпоточные двухслойные фильтры (ДДФ) и каркасно-засыпные скорые фильтры. Это фильтры большой грязеемкости. Под грязеемко- стью подразумевают количество загрязнений, задержанных фильтрующей загрузкой в течение фильтроцикла (т. е. от промывки до промывки), отнесенное к единице площади фильтрования.

Контактные фильтры (рис. 5.20, а), работа которых основана на контактной коагуляции, применяют в прямоточных одноступенчатых схемах очистки воды при ее мутности до 60 мг/л и цветности до 150 град. Загрузка КФ-5 трехслойная, верхний слой — из керамзита (размер частиц 3—5 мм), средний — из антрацита (размер 2—3 мм), нижний — из кварцевого песка (размер 0,6—1,0 мм). Толщина каждого слоя 0,5 м. Исходная вода, смешанная с реагентами, поступает в надзагрузочное пространство по специальной перфорированной трубчатой распределительной системе, расположенной на 5—10 см выше поверхности загрузки, что предотвращает образование хлопьев. Скорость фильтрования до 10 м/ч. Промывку осуществляют подачей 90 % воды в поддон и 10 % в распределительную систему.

Схема устройства фильтра КФ-5 (а) и ДДФ (б)

Рис. 5.20. Схема устройства фильтра КФ-5 (а) и ДДФ (б):

1 — поддон; 2 — распределительная система в виде ложного дна из пористого бетона; 3, 4, 5 — слои фильтрующей загрузки соответственно из кварцевого песка, дробленого антрацита и керамзитовой крошки; 6, 13 — отвод и подача промывной воды; 7 — боковой карман; 8 — уровень воды при фильтровании; 9 — желоб; 10 — водораспределительная система из перфорированных труб; 11 — ввод реагентов; 12 — подача исходной воды; 14 — отвод фильтрата; 15 — воздушник; 16 — перепуск 70 % исходной воды на фильтрование снизу вверх; 17, 18 — среднее и нижнее отделения бокового кармана; 19 — щелевая полиэтиленовая дренажная система

Фильтры ДДФ (см. рис. 5.20, б) имеют два слоя наддренаж- ной фильтрующей загрузки. Скорость фильтрования до 25 м/ч.

В схемах технического водоснабжения распространение получили каркасно-засыпные фильтры и напорные сверхскоростные осветлительные фильтры системы Г.Н. Никифорова. Каркасно-засыпные фильтры (рис. 5.21) имеют загрузку в виде каркаса из гравия или щебня толщиной 2 м и засыпки из песка (керамзита, антрацита, шлака) толщиной 1 м, заполняющей часть порового пространства. Скорость фильтрования до 20 м/ч. Промывка водовоздушная. Фильтры системы Г.Н. Никифорова фильтруют воду со скоростью до 100 м/ч. Фильтр представляет собой цилиндрический корпус с круглой камерой внутри. Пространство между этими цилиндрами разделено вертикальными перегородками на восемь отсеков — фильтров с песчано-гравийной загрузкой. В работе находятся семь отсеков, а один — на промывке. Продолжительность фильтроцикла в каждом отсеке не превышает одного—двух часов. Учитывая, что производительность фильтра лимитируется его размерами и при диаметре 3 м не превышает 150 м3/ч, Г.Н. Никифоров предложил батарейный тип сверхскоростных напорных фильтров с автоматической системой промывки. Все фильтры, входящие в блок, связаны единым гидравлическим режимом.

Схема устройства каркасно-засыпного скорого фильтра

Рис. 5.21. Схема устройства каркасно-засыпного скорого фильтра:

1, 2 — во до- и воздухораспределительные системы; 3 — песчаная засыпка в межгравийном пространстве; 4 — гравийный каркас; 5 — трубчатая перфорированная система распределения исходной и сбора промывной воды; 6 — подача воздуха; 7 — боковой карман; 8, 11 — подача исходной и отвод фильтрованной воды; 9, 10 — отвод и подача

промывной воды

В водоподготовке также применяются напорные скорые фильтры (рис. 5.22). Серийно выпускаются напорные вертикальные фильтры восьми типоразмеров (диаметром от 1 до 3,4 м). Высота фильтрующей загрузки в фильтрах всех размеров принята 1,2 м. Подача осветленной воды и отвод промывной осуществляются через центрально расположенную воронку, обращенную широким концом кверху, или кольцевой перфорированный трубопровод. Фильтр не имеет поддерживающих слоев, а фильтрующий материал располагается непосредственно на колпачковом или щелевом дренаже. Промывка загрузки предусмотрена водовоздушная, для чего фильтр снабжен специальной распределительной системой для подачи во время промывки сжатого воздуха. Эта распределительная система располагается в фильтрующей загрузке фильтра. Загрузка фильтра производится через верхний лаз. Для гидравлической выгрузки фильтрующей загрузки предусмотрен специальный разгрузочный штуцер.

Вертикальный напорный скорый фильтр (а) с керамзитом (песчаной) и (б) пенополистирольной загрузкой

Рис. 5.22. Вертикальный напорный скорый фильтр (а) с керамзитом (песчаной) и (б) пенополистирольной загрузкой:

1,5 — подача исходной воды и отвод фильтрата; 2 — пробоотборники; 3, 7 — подача и отвод промывной воды; 4 — люки; 6 — сброс первого фильтрата и опорожнение; 8— распределительная (дренажная) система; 9 — воздухораспределительная система; 10 — фильтрующая загрузка; 11 — распределительная воронка; 12 — подача воздуха; 13 — фильтрующая загрузка из вспененного полистирола; 14 — сетчатые элементы дренажа; 15 — трубчатая система сбора промывной воды

Наибольший диаметр напорного фильтра из условий удобства перевозки железнодорожным транспортом принят 3,4 м, фильтрующая площадь такого фильтра составляет 7,1 м2. Поэтому при значительной производительности водоочистной станции приходится принимать большое число фильтров и арматуры, в связи с чем удорожается строительство и усложняется эксплуатация фильтров. Число фильтров может быть сокращено примерно в 4 раза при установке горизонтальных напорных фильтров, площадь фильтрования которых составляет 28—30 м2, или вертикальных двух- или трехкамерных фильтров.

Использование фильтров с плавающей полимерной загрузкой (ФПЗ) (см. рис. 5.22, б) является одним из путей интенсификации процесса фильтрования природных вод. Как показали исследования М.Г. Журбы, наиболее перспективными являются гранулы вспененного полистирола. При замене тяжелых фильтрующих загрузок плавающими существенно изменяется технология фильтрования воды, увеличиваются допустимые по сравнению с кварцевыми фильтрами концентрация взвеси в исходной воде и скорость фильтрования, значительно упрощается отмывка загрузки, отпадает необходимость в установке промывных насосов и специальных емкостей для промывной воды. Установлено, что гранулы полистирола обладают более высокими адгезионными и электрокинетическими свойствами по сравнению с зернами песка и их применение интенсифицирует процесс фильтрования в целом.

Разновидностью фильтровальных аппаратов являются контактные осветлители, работающие по принципу фильтрования воды снизу вверх в направлении убывающей крупности зерен фильтрующей загрузки большой толщины (рис. 5.23).

При водообработке на контактных осветлителях (КО) коагулянт вводят в воду непосредственно перед ее поступлением в загрузку аппаратов, процесс коагуляции происходит в ее толще. За короткий промежуток времени от момента введения коагулянта до начала фильтрования в воде могут образоваться лишь микроагрегаты коагулирующих частиц. Дальнейшая агломерация примесей происходит не в свободном объеме воды, а на зернах загрузки КО; частицы адсорбируются на поверхности зерен, образуя отложения характерной для геля сетчатой структуры. Такой процесс является контактной коагуляцией, что обусловливается контактом воды, содержащей коагулированные примеси, с поверхностью зерен контактной массы.

Контактные осветлители КО-1 (а) и КО-3 (б)

Рис. 5.23. Контактные осветлители КО-1 (а) и КО-3 (б):

1,7 — подача исходной и промывной воды и отвод фильтрата; 2, 8 — нижнее и верхнее отделения центрального канала; 3 — перфорированная распределительная система с защитными козырьками; 4 — фильтрующая загрузка; 5 — водосборные желоба; 6 — отвод промывной воды; 9 — воздушник; 10 — подача промывной воды; 11 — подача воздуха при промывке; 12, 13 — воздухо- и водораспределительная системы; 14 — струенаправляющий выпуск; 15 — пескоулавливающий желоб; 16 — боковой карман

Как показали исследования и практика, процесс контактной коагуляции идет с большей полнотой и во много раз быстрее, чем конвективной коагуляции в объеме; доза коагулянта, как правило, меньше, чем доза, необходимая для коагулирования примесей в свободном объеме. Для протекания процесса контактной коагуляции необходимо ввести в воду такую дозу коагулянта, при которой частицы примесей теряют свою агрегативную устойчивость и прилипают к поверхности зерен контактной массы. Такие дозы обычно недостаточны для того, чтобы обеспечить быстрое хлопьеобразование в свободном объеме с получением тяжелых, хорошо декантирующих хлопьев. Кроме того, при контактной коагуляции на процесс почти не влияют температура воды и ее анионный состав, наличие грубодисперсных взвесей и ее щелочность. Отпадает необходимость в перемешивании воды для обеспечения протекания ор- токинетической фазы коагулирования примесей. Однако быстрота и равномерность распределения коагулянта в обрабатываемой воде имеют решающее значение.

Благодаря этому в условиях обработки маломутных цветных вод КО весьма удачно заменяют обычную двухступенчатую очистку воды, обеспечивая высокий эффект осветления и обесцвечивания при одновременном снижении стоимости строительства и эксплуатации очистных сооружений. На водоочистных комплексах с КО необходимо предусматривать барабанные сита или микрофильтры, а также вертикальный смеситель для воздухоотделения и смешения реагентов с водой. Микрофильтры и барабанные сита располагают обычно над смесителем или входной камерой.

При использовании контактных осветлителей основная масса примесей воды задерживается в нижних крупнозернистых слоях, характеризующихся большой грязеемкостью, что уменьшает темп прироста потери напора. Снижение темпа прироста потери напора и увеличение продолжительности защитного действия загрузки вследствие большой высоты слоя позволяют очищать на КО воду с содержанием взвеси, значительно превышающим обычно допустимое для скорых фильтров. Скорые фильтры могут работать нормально, если содержание взвеси в поступающей на них воде составляет 5—15 мг/л. Контактные же осветлители работают нормально при содержании взвеси в очищаемой воде до 120 мг/л и ее цветности 120 град.

Распределительная система контактного осветлителя трубчатая, большого сопротивления, с поддерживающими слоями или без них.

Контактные осветлители рекомендуется использовать без поддерживающих слоев при промывке водой и с поддерживающими слоями при водовоздушной промывке. Разработаны три модели КО. Осветлитель КО-1 (рис. 5.23, а) представляет собой резервуар, заполненный загрузкой из песка и гравия. Песок не должен содержать фракции крупнее 2 мм и мельче 0,7 мм. Средний диаметр песка 0,9—1 мм, d3KR = 1—1,3 мм, толщина слоя песка около 2 м. Гравийные слои располагают под песчаной загрузкой на дне контактного осветлителя, они имеют общую толщину 0,6— 0,8 м. Рекомендуемая высота и крупность песчаных и гравийных слоев приведены в СНиП 2.04.02-84*. Расчетную скорость фильтрования для КО-1 принимают 4,0—5,5 м/ч. Очищаемую воду предварительно смешивают с коагулянтом и вводят в загрузку с помощью распределительной системы из дырчатых труб, уложенных на дне в слое мелкого гравия (2—10 мм). Распределительная система служит и для подачи промывной воды. Ее промывку с интенсивностью 15—18 л/см2 в течение 7—8 мин производят так же, как и обычных скорых фильтров. Осветленная вода, как и промывная, отводится с помощью желобов, расположенных над песком.

В безгравийных КО-1, промываемых водой, устраивают без- гравийную трубчатую распределительную систему с приваренными вдоль дырчатых труб боковыми шторками, между которыми приваривают поперечные перегородки, разделяющие подтрубное пространство на ячейки. КО-3 (рис. 5.23, б) с поддерживающими слоями и водовоздушной промывкой имеет трубчатые распределительные системы для подачи воды и воздуха и систему горизонтального отвода промывной воды.

Работа медленных фильтров (МФ) основана на принципе пленочного фильтрования. В начале фильтроцикла на поверхности фильтрующего слоя образуется из задержанных примесей воды фильтрующая пленка, проницаемая для воды и непроницаемая для ее диспергированных загрязнений. В образовавшейся пленке интенсивно развиваются различные бактерии. Обрабатываемая вода профильтровывается через пленку, при этом из нее извлекаются взвешенные и частично коллоидные загрязнения и до 99,9 % бактерий, т. е. процесс чисто механический. Этим достигается высокая степень осветления и обеззараживания воды.

Медленный фильтр (рис. 5.24) — открытый резервуар, на дне которого находится дренаж (из дырчатых труб, кирпичей, бетонных плиток, уложенных с прозорами). Над дренажем размещен поддерживающий слой толщиной 350 мм из гравия, или гальки, или щебня крупностью 2—40 мм, а над поддерживающим слоем расположен фильтрующий слой толщиной 850 мм из хорошо промытого песка крупностью 0,3—2 мм. Слой воды над фильтрующей загрузкой составляет 1,2—1,5 м. Скорость фильтрования 0,1—0,3 м/ч.

Схема медленного фильтра

Рис. 5.24. Схема медленного фильтра:

1 — труба для подачи исходной воды; 2 — осветлительная пленка; 3 — фильтрующая загрузка; 4 — пористый бетонный дренаж; 5 — поддон; 6 — гидравлический рыхлитель; 7 — подача промывной воды к рыхлителю; 8, 9 — отвод фильтрованной и промывной воды; 10 — боковые карманы фильтра; 11 — водонепроницаемая стена; А и Б — уровни воды соответственно при фильтровании и промывке

Пленка созревает в течение 1—2 сут. Фильтроцикл может достигать 1—2 месяцев. Регенерация фильтров осуществляется со снятием верхнего слоя песка (1—2 см) при небольшой мутности (М < 50 мг/л) или более совершенным способом с использованием гидравлического рыхления фильтрующей загрузки и смыва загрязнений в сток (при более высокой мутности М< 700 мг/л).

Недостатками МФ являются их значительная строительная стоимость и большая занимаемая площадь, что главным образом и служит причиной отказа от применения их на крупных водоочистных комплексах. Простота эксплуатации обусловливает целесообразность их использования при небольшой производительности.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>