Основы водоснабжения и канализации

Раздел: Производство

 Фильтры, применяющиеся для глубокого осветления воды, способны улавливать из нее практически все взвеси. Применяют фильтры и для частичной очистки воды.

Важнейшей характеристикой интенсивности работы фильтров является скорость фильтрования. Это расход в м3/ч воды, осветляемой 1 м2 фильтрующей поверхности фильтра. Таким образом, скорость фильтрования v измеряется в м3/(ч-м2) или в м/ч.

По скорости фильтрования фильтры подразделяются на медленные, скорые и сверхскоростные.

Медленные фильтры работают при скорости фильтрования 0,1—0,2 м/ч. Очистку воды на медленных фильтрах производят без предварительного коагулирования. Для обработки значительных расходов воды медленные фильтры должны иметь очень большую площадь, поэтому в настоящее время их применяют сравнительно редко и только для обработки малых расходов воды (для водоснабжения отдельных колхозов, совхозов и т. п.).

Медленный фильтр состоит из верхнего слоя песчаной загрузки с крупностью зерен 0,3—2 мм и высотой 850 мм и нижнего слоя из гравия или щебня крупностью 2—40 мм и высотой 450 мм, уложенного на простейший дренаж (дырчатые трубы, кирпич, установленный на ребро и перекрытый кирпичом с прозорами, бетонные дырчатые плиты и др.). Для осветления вода подается на загрузку.

При фильтровании воды через фильтр взвесь задерживается на поверхности загрузки и в ее верхнем слое, образуя фильтрующую пленку. Фильтрование воды через эту пленку обеспечивает не только высокую степень осветления воды, но и задержание основной массы бактерий. С течением времени происходит увеличение сопротивления фильтра. При достижении предельного сопротивления фильтра его отключают, загрязненный слой снимают и после отмывки загружают вновь.

Скорые фильтры работают при скорости фильтрования от 5,5 до 12 м/ч. На скорых фильтрах осветляется предварительно коагулированная вода. В настоящее время находят применение следующие разновидности скорых фильтров: обычные (основной тип), двухпоточные (фильтры АКХ) и двухслойные. Все эти фильтры могут быть самотечными (открытыми) и напорными.

Обычный скорый самотечный фильтр ( 60 и 61) представляет собой прямоугольный в плане резервуар, открытый сверху. Важнейшими его элементами являются фильтрующий песчаный слой, поддерживающий гравийный слой и дренаж. Вода подается на фильтрующую загрузку (см.  61) по трубе 6 и лотку 4 (через карман 5). Слой ее над загрузкой должен быть не менее 2 м. Фильтрование воды происходит сверху вниз, как и на медленных фильтрах. Осветленная вода собирается дренажем 3 и отводится no трубопроводу 8 в резервуары чистой воды. В период фильтрования (см.  61,а) задвижки на трубах 7, 9 и 10 закрыты.

Улавливание взвешенных веществ из воды и их закрепление на зернах фильтрующей загрузки происходит под действием сил прилипания. В начальный период фильтрования накопление взвеси происходит в верхнем слое загрузки. Уловленный осадок имеет непрочную структуру. Под действием гидродинамических сил часть взвеси отрывается и уносится в нижние слои, где вновь задерживается. В результате частицы взвеси накапливаются в значительной толще загрузки.

Общее количество улавливаемых частиц взвеси сравнительно велико. По мере их накопления растут потери напора в фильтре. При значительных скоростях фильтрования располагаемый напор и грязеемкость фильтров исчерпываются довольно быстро. В связи с этим промывку фильтров производят часто (1— 3 раза в сутки) механизированным путем без выгрузки песка из сооружения.

Промывка скорых фильтров производится обратным током воды (см.  61,6). Промывная вода по трубе 9 подается в дренаж 3 для равномерного распределения воды по площади фильтра. При движении воды через загрузку фильтрующий слой взвешивается, увеличиваясь в объеме (расширяется), и перемешивается. Промывная вода собирается желобами 4 и отводится по трубе 7. В период промывки задвижки на трубах 6, 8 и 10 закрыты. Расход воды, подаваемой на промывку 1 м2 фильтрующей поверхности загрузки, называется интенсивностью промывки, которая измеряется в л/(с-м2). Степень расширения загрузки зависит от интенсивности промывки: с увеличением последней увеличивается и степень расширения загрузки. Оптимальная промывка фильтрующей загрузки достигается при интенсивности промывки w = 12-f-18 л/(с • м2). При этом загрузка в результате расширения увеличивается по высоте на 25—45%. Желоба для отвода промывной воды должны располагаться на 30 см выше поверхности расширившегося слоя песка, чтобы он не выносился промывной водой.

Расширившийся слой загрузки обладает свойствами, аналогичными свойствам взвешенного слоя осадка в осветлителях. При определенной интенсивности промывки он находится в динамическом равновесии, а поверхность его горизонтальна. В то же время песок в слое хаотически движется (перемешивается). При этом из загрузки весьма интенсивно вымываются уловленные и прилипшие к песчинкам частицы загрязнений. Фильтр промывают до тех пор, пока промывная вода, поступающая в желоба, не будет прозрачной. Продолжительность промывки скорых фильтров составляет 5—8 мин.

Таким образом, фильтры работают циклично. Фильтро- цикл — полный цикл работы фильтра — включает фильтрова- вание, при котором осветляется вода, и промывку. Для обычных скорых фильтров продолжительность фильтроцикла 6—20 ч.

Скорость фильтрования принимается соответственно равной 6, 8 и 10 м/ч.

Поддерживающий слой предназначен для поддержания фильтрующей загрузки. Его выполняют из гравия или щебня изверженных пород, укладываемых слоями разной крупности, увеличивающейся сверху вниз от 2,5 до 20—40 мм. Высота его над отверстиями распределительной (дренажной) системы должна быть не менее 0,1 м. Являясь своеобразным обратным фильтром, он исключает унос песка фильтрующей загрузки с осветляемой водой. Кроме того, поддерживающий слой способствует более равномерному распределению промывной воды по всей площади сооружения.

Важная роль в работе фильтра принадлежит распределительной (дренажной) системе. Ее задачами являются равномерное распределение промывной воды по площади фильтра и равномерный сбор осветленной воды с площади фильтра.

Наибольшее распространение получила распределительная (дренажная) система большого сопротивления, выполненная из дырчатых труб, укладываемых в толще поддерживающего слоя фильтра (см.  60). Она состоит из коллектора и ответвлений с отверстиями, располагаемыми в нижней половине трубы в шахматном порядке под углом 45° к вертикальному диаметру. Для обеспечения оптимальной равномерности распределения промывной воды площадь отверстий должна составлять 0,25— 0,3% всей площади фильтра.

В последние годы получили распространение фильтры без поддерживающих слоев. Дренажные системы таких фильтров вместо отверстий оборудуются дренажными колпачками или щелями шириной на 0,1 мм меньше размера минимальной фракции фильтрующей загрузки. Большинство конструкций колпачков имет щелевидную нарезку. Они беспрепятственно пропускают воду в обоих направлениях. В то же время песок с ответвленной водой через их щели проникнуть не может.

В фильтрах без поддерживающих слоев дренажные системы выполняют из винипластовых труб или труб из нержавеющей стали со щелями.

Экономия воды и повышение степени отмывки песка от загрязнений достигаются сочетанием промывки фильтра восходящим потоком воды с поверхностной промывкой. В этом случае вначале струями воды, создаваемыми распределительной системой, которая располагается над загрузкой фильтра, промывают верхние ее слои, а затем фильтр промывают восходящим потоком воды, подаваемым нижней дренажной системой. Размытый верхний слой загрузки при подаче воды снизу не поднимается пластом, как обычно, а взвешивается отдельными зернами и хорошо и быстро отмывается. Система верхней промывки может быть вращающейся или стационарной.

Фильтры промывают с помощью специальных насосов или от напорного бака. Расход воды, подаваемой на промывку, сравнительно велик. Это требует установки больших насосов с мощными электродвигателями, которые работают периодически и кратковременно — лишь в период промывки фильтров. Если фильтр промывают из напорного бака, то размер и мощность насосов, подающих в них воду, могут быть значительно меньше. Вода может накапливаться в баке в течение длительного времени. При выборе метода подачи воды на промывку следует учитывать также сложность и высокую стоимость строительства бака на высоте 10—15 м. Обычно его располагают над фильтровальной станцией.

Секции фильтров очистных станций размещают в один или два ряда. По фронту одного ряда в первом случае и между двумя рядами фильтров во втором случае устраивают галереи, в которых размещают все технологические трубопроводы. Резервуары скорых открытых фильтров выполняются из железобетона.

Скорые напорные фильтры рассчитываются на работу под давлением до 6 кгс/см2. Корпус их выполняют из листовой стали. По конструкции напорные фильтры бывают вертикальными и горизонтальными.

Двухпоточный скорый фильтр (фильтр АКХ) отличается от обычных скорых фильтров тем, что имеет в толще фильтрующей загрузки на расстоянии 500—600 мм от поверхности еще одну дренажную систему из винипластовых труб со щелями шириной 0,4—0,5 мм. Осветление воды в таком фильтре происходит при фильтровании ее сверху вниз через мелкозернистый слой загрузки и снизу вверх через слой гравия и песка. Оба потока осветляемой воды собираются и отводятся щелевым дренажем.

Верхний поток воды подается на фильтр, как в обычном скором фильтре, а нижний — по распределительной системе. С течением времени расход верхнего потока уменьшается, а нижнего — увеличивается, так как сопротивление верхнего слоя из мелкозернистого песка растет быстрее, чем нижнего слоя из крупнозернистого песка и гравия. К концу периода фильтрования расход осветляемой воды, поступающей сверху, составляет лишь около 20% всего расхода.

Промывка цвухпоточного фильтра производится следующим образом. Вначале подают воду только в верхний дренаж. Спустя 1—2 мин начинают подачу воды и в распределительную систему. Так промывают фильтр в течение 5—6 мин. Заканчи

вают промывку в обратной последовательности: вначале прекращают подачу воды в распределительную систему и лишь спустя 1—2 мин подачу воды в верхний дренаж.

Применение фильтрования снизу вверх в направлении убывающей крупности песка повышает грязеемкость фильтра и увеличивает продолжительность его фильтроцикла. Двустороннее фильтрование позволяет повысить скорость фильтрования до 12 м/ч.

Слой фильтрующей загрузки состоит из песка с диаметром зерен 0,5—1,6 мм. Высота слоя 1,45—1,65 м. Двухпоточные фильтры бывают и напорными.

Двухслойный скорый фильтр в отличие от обычного скорого имеет фильтрующую загрузку, состоящую из двух слоев: нижнего—из песка крупностью 0,5—1,25 мм и верхнего — из антрацита крупностью 0,8—1,8 мм. Высота слоя песка составляет 0,6—0,7 м, а слоя антрацита — 0,4—0,5 м. Антрацит в 1,7 раза легче песка. Поэтому более крупные зерна антрацита не смешиваются с песком при промывке. После окончания промывки песок и антрацит вновь располагаются послойно.

В двухслойных фильтрах вода фильтруется вначале через более крупные зерна антрацита, а затем через мелкие зерна песка. Грязеемкость и продолжительность фильтроцикла у них выше, чем у обычных скорых фильтров. Расчетная скорость фильтрования двухслойных фильтров равна 8—10 м/ч.

Контактные осветлители ( 62) являются разновидностью скорых фильтров. Устройство их аналогично устройству скорых фильтров. Осветление воды здесь происходит при движении воды снизу вверх и основано на явлении контактной коагуляции. Коагулянт вводят в обрабатываемую воду непосредственно перед ее фильтрованием через песчаную загрузку. За короткое время до начала фильтрования образуются лишь мельчайшие хлопья взвесей. Дальнейший процесс коагуляции происходит на зернах загрузки, к которым прилипают ранее образовавшиеся мельчайшие хлопья. Этот процесс, называемый контактной коагуляцией, происходит быстрее, чем обычная коагуляция в объеме, и требует меньшего количества коагулянта.

Слой фильтрующей загрузки контактных осветлителей состоит из песка крупностью 0,7—2 мм. Высота слоя 2—2,3 м. Расчетная скорость фильтрования принимается равной 5—6 м/ч.

 Ко н т актн ы е о с в ет лит ели промывают путем подачи воды снизу через распределительную систему (как и в обычных скорых фильтрах). Интенсивность промывки должна составлять 13—15 л/(с-м2), а ее продолжительность—7—8 мин.

В контактных осветлителях зеркало осветленной воды открыто, поэтому оно должно быть изолировано от обслуживающего персонала.

Сверхскоростные фильтры (фильтры Г. Н. Никифорова), работающие со скоростями фильтрования от 25 до 100 м/ч, выполняются напорными. Эти фильтры применяют для частичного осветления воды.

Как уже отмечалось, в процессе фильтрования воды возрастает сопротивление загрузки фильтра, что приводит к уменьшению скорости фильтрования и расхода осветляемой воды. В целях равномерной работы очистных станций применяют регулирование скорости фильтрования. В настоящее время работа фильтров и в том числе регулирование скорости фильтрования и промывка фильтров автоматизируются.

На промывку фильтров расходуется значительное количество воды. Раньше эту воду, содержащую большое количество взвесей, сбрасывали в канализацию и считали безвозвратно потерянной. По соображениям экономии природной воды и охраны водоемов от загрязнений расход воды на промывку фильтров следует всемерно сокращать, а промывную воду использовать вновь.

Сокращение расхода воды на промывку фильтров может быть достигнуто применением водовоздушной промывки. При этом вначале фильтр промывают водой с воздухом, а затем отмывают его только водой. Специальные исследования последних лет показали, что промывная вода может использоваться вновь. При этом возможны две технологические схемы повторного использования промывной воды: 1) направлять без предварительного осветления из аккумулирующих емкостей в систему очистной станции; 2) осветлять путем отстаивания в аккумулирующих емкостях и оттуда направлять для дальнейшей очистки на фильтры очистной станции. Вторая технологическая схема применяется на станциях с очисткой воды только фильтрованием. Для улавливания песка, выносимого с фильтров или контактных осветлителей, в системе отвода промывной воды следует предусматривать песколовки, конструкции и расчет которых приведен ниже во втором разделе — «Основы канализации».