Расчет скорых фильтров

Введение

 

Задачей данного проекта является проектирование и расчет водоочистных сооружений для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Исходные данные:

Полезная производительность станции составляет –130000 м3/сут;

Количество взвешенных веществ в источнике –85 мг/л;

Щелочность –0,21 мг-экв/л;

Жёсткость – 5,1 мг-экв/л;

Цветность –200 град;

Запах –0 балла.

Решение технологической схемы станции очистки

Определение расчетной производительности очистной станции.

Станция водоочистки согласно СНиП 2.04.02-84* «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» рассчитывается на равномерную работу в течение суток, если ее производительность не менее 5000 м³/сут.

Полная производительность очистных сооружений:

 

где α - коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды станции очистки (промывку фильтровальных сооружений, сброс осадка из отстойников и осветлителей, на приготовление растворов реагентов и др.); принимается α =1,03;

Q_полез — полезная производительность станции, м³/сут.

Выбор методов очистки воды и технологической схемы водопроводной очистной станции.

 

Выбор методов обработки воды производится путем сопоставления показателей качества исходной воды и нормативных требований, предъявляемых к ней по ГОСТ. Технологическая схема и состав сооружений производится в зависимости от полной производительности станции и основных показателей качества исходной воды.

Традиционные технологические схемы осветления, обесцвечивания и обеззараживания поверхностных вод на водоочистных станциях основаны на методах осаждения, осветления в слое взвешенного осадка и скорого фильтрования, технологическая схема станции очистки представлена в приложении 1.

Качественные показатели исходной воды:

Цветность: 200 град;

Взвешенные вещества: 85 мг/л;

Щелочность: 0,21 (5,1) мг-экв/л;

Железо: 0,3 мг/л;

Магний 0,1 мг/л;

Природная вода не соответствует требуемым гигиеническим нормативам качества питьевой воды.

Производительность станции: 130000 м³/сут.

На основе анализа качества и количества воды, поступающей на очистку, в проекте выбраны следующая технологическая схема очистной станции: Одноступенчатая схема с использованием контактных осветлителей и обеззараживанием воды.

 

Расчет сооружений

 

При одноступенчатой очистки поверхностных вод на станция используется фильтрование. Это один из методов очистки воды путем пропуска жидкости через фильтрующий слой. При подготовке воды для хозяйственно-питьевых целей применяются скорые безнапорные однослойные фильтры с зернистой загрузкой. Эти сооружения являются тонкой очистки задерживают как взвешенные вещества, так и часть микроорганизмов и микрофлоры, понижая цветность воды. Однослойный скорый фильтр (рисунок 1) представляет собой открытый железобетонный резервуар, в котором на дренажной системе и поддерживающем гравийном слое уложен слой фильтрующего материала. Движение воды через фильтрующий слой происходит под действием разности давлений на входе в фильтр и на выходе из него. Очищаемая вода подается в пространство над фильтрующим материалом, создавая столб воды. Под действием сил гравитации вода просачивается через фильтрующий материал, очищаясь от взвешенных частиц, и отводится при помощи дренажных устройств.

Особенностью любых фильтров является восстановление фильтрующей способности путем промывки фильтрующего слоя обратным током воды. В результате гидродинамического воздействия потока промывной воды происходит расширение и взвешивание фильтрующей загрузки, сопровождающееся многочисленным соударениями отдельных зерен. При столкновении происходит отрыв прилипших к их поверхности загрязнений, которые потоком промывной воды выносятся за пределы фильтра.

Расчет скорых фильтров

 

Суммарная площадь фильтров F_ф, м²:

где Т – продолжительность работы очистной станции в течении суток,

принимается Т = 24ч;

V_н – расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме эксплуатации, принимается V_н = 5м/ч;

n_пр – число промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации, промывка производится 1 раз в 14 дней, при продолжительности работы станции Т =24ч, n_пр = 0,07;

ω – интенсивность водяной промывки, принимается 14 л/(с∙м²);

t₁ – продолжительность водяной промывки, принимается t₁ =0,1ч;

t₂ – время простоя фильтра в связи с промывкой, принимаемое для фильтров, промываемых водой, - 0,33ч.

 

Количество скорых фильтров на станции:

 

Площадь одного фильтра:

 

Размеры в плане фильтра составляют: В_ф=6,2м и L_ф=10,3м.

Уточняют фактическую площадь одного фильтра:

 

Уточняют фактическую площадь всех фильтров:

 

Скорость фильтрования при нормальном режиме:

 

Скорость фильтрования при форсированном режиме:

 

где N_рем – количество фильтров, находящихся на ремонте; при N_ф < 20 принимают N_рем =1.

 

С учетом принятой площади фильтров и скорости фильтрования при нормальном режиме уточняется коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды станции:

 

Процент расхода воды на промывку фильтра:

 

где q - часовой расход: 133900м³/сут = 5579,17м³/час;

Т_р – продолжительность работы фильтра между двумя промывками:

где Т_о – продолжительность рабочего фильтроцикла, при нормальном режиме работы фильтра продолжительность принимается Т_о =12ч; при форсированном - Т_о ≥ 6ч;

t₃ – продолжительность сброса первого фильтрата в сток, принимается t₃=0,17ч.

 

В качестве состава фильтрующей загрузки в проекте принимается активированный алюмосиликатный адсорбент (ААА), величина фракций фильтрующего материала составляет 2мм.

Суммарную высоту фильтрующего слоя составляет:

 

где Н_пс – высота поддерживающих слоев фильтра, при крупности фильтрующего материала 2мм, составляет Н_пс =0,5м;

Н_фс – высота фильтрующего слоя, принимается Н_фс =1,6м;

h_в – высота слоя воды над поверхностью слоя загрузки, принимается h_в =2м;

h_б – высота бортика фильтра, принимается h_б =0,5 м.

 

Распределительная система фильтров предназначена для равномерного сбора фильтрованной воды с площади фильтра, а также для равномерного распределения промывной воды по площади фильтра. На станции очистки предусмотрена дренажная (распределительные) системы большого сопротивления в виде стальных перфорированных труб.

Расчет данной системы ведут исходя из расхода промывной воды на один фильтр:

 

Диаметр коллектора распределительной системы:

где V_кол – скорость движения воды в начале коллектора, принимается V_кол =1,1м/с.

Полученный диаметр коллектора округляем до стандартного d_кол =1000мм и уточняем скорость воды в начале коллектора V_кол =1,1. Расстояние от низа ответвлений до дна фильтра принимают 80-120 мм.

Общее количество ответвлений на каждом фильтре:

где m_отв – расстояние между осями ответвлений в распределительной системе, принимается m_отв =0,35м.

 

Расход промывной воды поступающей через одно ответвление:

Исходя из данного расхода и рекомендуемой скорости V_отв =1,6-2,0м/с определяем диаметр одного ответвления d_отв =0,100, принимаем стандартный d_отв =100мм и уточняем фактическую скорость в ответвлении V_отв =1,9м/с.

Длина каждого ответвления:

 

где – наружный диаметр коллектора, принимается по ГОСТ 10704-63 равным =0,114мм.

В скорых фильтрах с центральным каналом ответвления примыкают под углом 90° к его нижнему отделению.

На ответвлениях трубчатого дренажа при наличии поддерживающих слоев в нижней части труб ответвлений под углом 45⁰ книзу от вертикали, рисунок 2, в два ряда в шахматном порядке следует предусматривать отверстия диаметром d_о =10-12мм; общая площадь этих отверстий ∑ f₀ (м²), должна составлять 0,25-0,5% от рабочей площади фильтра F_ф1. Расстояние между осями отверстий должно быть в пределах 0,15-0,2м.

Общая площадь всех отверстий:

 

Площадь одного отверстия в трубе ответвления:

 

 

Общее количество отверстий в распределительной системе каждого фильтра:

 

Количество отверстий на каждое ответвление, составит:

 

Шаг оси отверстий на ответвлении определяется по формуле:

 

Для сбора и отведения промывной воды на фильтрах над поверхностью фильтрующей загрузки предусматривают желоба пятиугольного или полукруглого сечения, схема которых приведена на рисунке 3.

 

Число желобов на фильтре назначается исходя из расстояния между осями соседних желобов, которое должно быть не более 2,2 м, следовательно:

 

Фактическое расстояние между осями желобов:

 

Расход промывной воды, приходящийся на один желоб:

 

Площадь поперечного сечения желоба в месте его присоединения к сборному каналу:

 

где g – ускорение свободного падения; g =9,81 м/с²;

B_ж – ширина желоба:

 

где К_ж - коэффициент, принимаемый равным для желобов с полукруглым основанием К_ж =2;

а_ж - отношение высоты прямоугольной части желоба к половине его ширины, принимается а_ж =1,5.

Высота прямоугольной частей желоба:

Высота нижней частей желоба:

 

Полезная высота желоба:

 

Конструктивная высота желоба с учетом превышения кромки желоба над уровнем воды в нем на 8 см:

С учетом толщины днища желоба общая высота желоба:

 

где δ - толщина днища желоба, принимаем для ж/б желобов δ =0,06 м.

Кромки всех желобов в фильтре должны быть расположены на одном уровне и строго горизонтальны; лотки желобов должны иметь уклон 0,01 к сборному каналу.

Расстояние от поверхности фильтрующей загрузки до кромок желобов:

где а_з - относительное расширение фильтрующей загрузки, принимается а_з =30 %.

условие выполняется

В фильтрах со сборным карманом загрязненная промывная вода из желобов фильтра свободно изливается в сборный карман откуда отводится в сток. При этом отвод промывной воды с фильтра в сборный карман осуществляется без создания подпора на выходе воды из желоба.

Расстояние от дна желоба до дна кармана:

где q_кан - расход воды по каналу, м³/с; q_кан = q_пр;

В_кан - ширина канала, принимается В_кан =0,7м.

Ширина канала должна быть не менее диаметра трубопровода, отводящего промывную воду из фильтра, т.к. конец данного трубопровода заделывается в железобетонной стенке канала.

Уровень воды в канале с учетом подпора, создаваемого трубопроводом, отводящим промывную воду, должен быть на 0,2м ниже дна желоба.

Скорость движения воды в конце сборного канала:

Потери напора в фильтре при промывке фильтра определяются следующим образом:

Потери напора в распределительной системе:

hрс=25,4*(1,1²/2*9,81+1,69²/2*9,81)=5,3.

где ξ_кол - коэффициент сопротивления коллектора:

 

 

где К_пер - коэффициент перфорации, равный отношению суммарной площади отверстий к площади поперечного сечения коллектора.

Потери напора в фильтрующем слое загрузки:

 

где а и b - параметры, зависящие от крупности зерен загрузки, при крупности зерен 1-2 мм: а =0,85, b =0,004.

 

Потери напора в поддерживающих гравийных слоях загрузки:

 

При использовании промывных насосов необходимый напор развиваемый ими:

 

где h₃ - запас напора (на первоначальное загрязнение фильтра), принимается h_з =1,5м;

Σh - сумма потерь напора в трубопроводе, подводящем воду от резервуара чистой воды (РЧВ) к коллектору фильтра (включает потери по длине и местные потери)м;

Н_г.пн - геометрическая высота подъема воды промывными насосами от дна РЧВ до верхней кромки желобов фильтра:

5=7,88 м

где Н_РЧВ - глубина воды в РЧВ, принимается равной 5м;

Производительность промывных насосов:

Для промывки используется промывной насос марки wilo-A SP 475D.

Так как по расчетам, для безнапорных фильтров, требуется поддерживающие слои, которые могут смещаться в результате промывки, что не является достоинством данной системы, в проекте принимается дренажная система TRITON. Техническое решении в этой системы заключается в обмотке и приварки «V»- образной проволоки к «U»- образному каркасу. Такая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность. Все частицы соприкасаются с поверхностью только в двух точках. Стандартный размер щели составляет 150-350 микронов. При промывки в противотоке щели работают как сопла усиливая эффект промывки. Использование данной системы позволит уменьшить высоту загрузки (или увеличить объем фильтра), устранить поддерживающие гравийный слой и пространство под фильтром, увеличить интенсивность и время промывки, значительное продление работоспособности загрузки и фильтра и устранение ремонта дренажных систем, эти и многие другие преимущества позволят уменьшить эксплуатационные расходы по производству питьевой воды.