3.5. Фильтрационные установки

Фильтрованием называют процесс пропускания воды через фильтрующий материал (фильтрующую перегородку), задерживающий нерастворимые примеси. Соответствующие сооружения называются фильтрами. В зависимости от применяемого фильтрующего материала фильтры подразделяют на две группы: тонкостенные фильтры, в которых используются пленки, ткани, сетки, пористые плиты и зернистые фильтры, в которых фильтрующую перегородку образует слой зернистого материала. Существует два вида фильтрования – пленочное и объемное. В первом случае, характерном для тонкостенных и медленных зернистых фильтров, примеси задерживаются на поверхности фильтрующего материала. При объемном фильтровании, характерном для остальных зернистых фильтров, примеси задерживаются внутри фильтрующего слоя. Довольно часто при работе зернистых фильтров имеет место комбинированное фильтрование, когда часть примесей задерживается на поверхности, а часть – внутри слоя.

Фильтрационные сооружения применяют для глубокой очистки (доочистки) сточных вод после физико-химической или биологической очистки для последующего извлечения тонкодиспергированных веществ, пыли, масел, смол, нефтепродуктов и др. Тип фильтрующего аппарата подбирают в зависимости от количества воды, подлежащей фильтрованию; концентрации загрязнений, их природы и степени дисперсности; физико-химических свойств твердой и жидкой фаз; требуемой степени очистки; технологических, технико-экономических и других факторов.

В практике очистки сточных вод получили распространение фильтры с зернистой загрузкой, микрофильтры и барабанные сетки.

3.5.1. Зернистые фильтры

Зернистые фильтры можно классифицировать по следующим признакам:

– по напору над слоем фильтрующего материала – на открытые, где фильтрование происходит под атмосферным давлением, и напорные, в которых над зернистым слоем создается избыточное давление;

– по скорости фильтрования (или по производительности с единицы площади) – на медленные (скорость фильтрования v_ф = 0.1÷0.2 м/ч), скорые (v_ф = 4÷15 м/ч) и сверхскоростные (v_ф ≥ 25 м/ч). Медленные фильтры всегда открытые, скорые могут быть открытыми и напорными, сверхскоростные – только напорные;

– по крупности зерен фильтрующего материала – на мелкозернистые (размер зерна до 0.4 мм), среднезернистые (0.4÷0.8 мм) и крупнозернистые (свыше 0.8 мм). Мелкозернистая загрузка используется в медленных фильтрах, среднезернистая – в скорых и сверхскоростных. Грубозернистая загрузка используется частичной или предварительной очистки воды;

– по количеству слоев зернистого материала – на одно-, двух-, трех- и многослойные;

– по направлению движения фильтруемого потока – на фильтры с нисходящим и восходящим потоком. Существуют также двухпоточные фильтры, в которых вода одновременно фильтруется сверху вниз и снизу вверх, а затем отводится через дренажную систему, расположенную в толще загрузки.

В соответствии с [1] для очистки сточных вод рекомендуется использовать следующие типы фильтров с зернистой загрузкой: однослойные, двухслойные и каркасно-засыпные.

В качестве фильтрующего материала могут применяться кварцевый песок, гравий, гранитный щебень, гранулированный доменный шлак, антрацит, керамзит, полимерные материалы, а также другие зернистые загрузки, обладающие необходимыми технологическими свойствами, химической стойкостью и механической прочностью. Характеристики некоторых фильтрующих материалов указаны в табл. 3.8.

Таблица 3.8

Характеристика фильтрующих материалов

Показатели	Речной песок	Дробленый шлак	Гранитный щебень	Горелая порода	Шунгизит
Плотность, т/м3	2.46	2.5	2.5
Пористость, %	36.5÷44.5	39.4÷54	46.4÷54.3	44÷48	56÷58
Измельчаемость, % по массе	3.93	7.7	8.35	3	5.67
Истираемость, % по массе	0.7	2.22	6.88	0.5	0.017
Стоимость, руб./м3 (в ценах 1980 г.)	40	2.5÷5	9.5	18÷20	6÷7

На станциях водоочистки наиболее часто применяют одно- и двухслойные открытые скорые фильтры, представляющие собой прямоугольные в плане железобетонные резервуары со слоем зернистого фильтрующего материала (рис. 3.26).

Фильтр оборудован сборно-распределительными системами подачи и отвода исходной фильтрованной и промывной воды, запорно-переключающей арматурой и приборами для управления работой фильтра. Под фильтрующим слоем находится поддерживающий слой из гравия или крупного песка, предотвращающий вынос фильтрующего материала вместе с осветленной водой и обеспечивающий равномерное распределение промывной воды по сечению фильтра. Различают дренажные системы с поддерживающими гравийными слоями и без них. В последнем случае для дренажа применяют щелевые трубы, щелевые колпачки, пористые керамические плиты, пористый бетон и др.

Гидравлическое сопротивление слоя, характеризующееся потерей напора ∆Н, в процессе работы фильтра постоянно растет. Для сохранения постоянной скорости фильтрования необходимо постепенное открытие регулировочной задвижки на коллекторе отвода фильтрата по мере увеличения гидравлического сопротивления фильтрующего слоя, с тем, чтобы суммарное сопротивление на пути движения воды оставалось постоянным. Для этого используются автоматические регуляторы скорости, включающие диафрагму и дифференциальный манометр, подключенный через автоматический регулятор к задвижке с электроприводом.

Допустимая потеря напора в открытых скорых фильтрах составляет 3÷3.5 м, в напорных – 6÷8 м. При достижении указанных величин потерь фильтры промывают в восходящем потоке фильтрованной воды или смеси воды и воздуха. Часто перед началом промывки в нижнюю часть фильтров подают сжатый воздух, для того чтобы разрушить сцепление зерен загрузки и предотвратить так называемый «эффект поршня», когда загрузка под действием восходящего потока промывной воды целиком поднимается вверх и закупоривает распределительную систему фильтра.

В многослойных фильтрах реализуется принцип фильтрации в направлении убывающей крупности загрузки. Для них характерна фильтрация без образования пленок осадка на поверхности загрузки. Грязеемкость многослойных фильтров в 2÷3 раза больше, чем у однослойных, что позволяет увеличить скорость фильтрации и продолжительность фильтроцикла.

Разновидностью многослойных фильтров является каркасно-засыпной фильтр конструкции Б.А.Митина (рис. 3.27, а). В данном фильтре используются сравнительно дешевые материалы, такие как гравий, щебень, песок и др. Загрузка фильтра выполняется в виде каркаса из гравия или щебня размером 40÷60 мм и засыпки мелкозернистым материалом размером 0.6÷1.0 мм, заполняющего поры каркаса.

Основным достоинством фильтров этого типа является то, что при промывке зерна каркаса остаются неподвижными, предотвращая смещение поддерживающих слоев.

В фильтрах с восходящим потоком (рис. 3.27, б) принцип фильтрации в направлении убывания крупности загрузки реализован наилучшим образом. Грязеемкость этих фильтров в 2 раза превышает аналогичный показатель однослойных фильтров с нисходящим потоком. Недостатками, ограничивающими применение фильтров с восходящим потоком, являются засорение и заиливание подводящего трубопровода, ограничение скорости фильтрования и потерь напора в загрузке из-за необходимости обеспечения ее устойчивости.

При использовании скорых фильтров для осветления сточных вод, прошедших биологическую очистку, перед фильтрами следует предусматривать установку барабанных сеток.

Для предотвращения биологического обрастания фильтров с зернистой загрузкой необходимо предусматривать предварительное хлорирование поступающих сточных вод дозой до 2 мг/л и периодическую обработку фильтра (2÷3 раза в год) хлорной водой с содержанием хлора до 150 мг/л при периоде контакта 24 ч.

Основные технологические параметры фильтров указаны в приложении 16.

Суммарная площадь фильтров, м², определяется по формуле:

,

(3.45)

где Q_сут – среднесуточный расход сточных вод, м³/сут;

k_сут – коэффициент суточной неравномерности водоотведения;

п – количество промывок каждого фильтра в сутки;

Т – продолжительность работы станции в течение суток;

v_ф – скорость фильтрации, м/ч;

W₁ – интенсивность, л/(с · м²), первоначального взрыхления загрузки продолжительностью t₁, ч;

W₂ – интенсивность подачи воды, л/(с · м²), при водовоздушной промывке продолжительностью t₂, ч, (только при водовоздушной промывке);

W₃ – интенсивность промывки, л/(с · м²), загрузки продолжительностью t₃, ч;

t₄ = 0.33 ч – продолжительность простоя фильтра в связи с промывкой;

т = 0.003÷0.005 – коэффициент, учитывающий расход воды на промывку барабанных сеток.

Количество фильтров на станции водоочистки определяют по формуле Д.М. Минца:

.

(3.46)

При производительности очистных сооружений свыше 1600 м³/сут. количество фильтров должно быть не менее четырех [13].

Фильтры рассчитываются на работу в нормальном и форсированном режимах. Форсированный режим имеет место в том случае, когда дополнительно к промывке часть фильтров находится в ремонте. При этом должно соблюдаться условие:

,

(3.47)

где v_фф – скорость фильтрации в форсированном режиме, зависящая от конструкции фильтра, м/ч;

N_p – число фильтров, находящихся в ремонте.

Равномерность промывки скорых фильтров достигается благодаря устройству распределительных систем большого сопротивления. При использовании перфорированной трубчатой дренажной системы диаметр дренажного коллектора принимается постоянным по всей длине. Скорость течения промывной воды в начале коллектора должна быть не менее 0.8÷1.2 м/с, в начале перфорированных труб (ответвлений) – не менее 1.6÷2.0 м/с. Диаметр отверстий принимается в пределах 10÷12 мм, а их общая площадь должна составлять 0.25÷0.5 % от площади фильтра. Отверстия выполняются в два ряда в шахматном порядке и направляются вниз под углом 45º к горизонту. Расстояние между осями ответвлений 150÷200 мм [13] (250÷350 мм, [9] ).

Разновидностью дренажа большого сопротивления без поддерживающих слоев является трубчатый дренаж со щелевой перфорацией при ширине щели на 0.1 мм меньше размера наиболее мелкой фракции загрузки. Суммарная площадь щелей составляет 1.5÷2 % площади фильтра.

Напор промывного насоса или высотная отметка промывного бака рассчитывается с учетом следующих потерь напора:

1) в дренажной системе:

,

(3.48)

где v_к и v_o – скорости течения промывной воды в начале коллектора и ответвлений соответственно, м/с;

– для распределительной трубы или ответвления с круглыми отверстиями;

– то же, но со щелями, где

К_п – коэффициент перфорации, т. е. отношение суммы площадей отверстий в стенках распределительной трубы к площади сечения трубы; обычно находится в пределах 0.3÷0.4 (0.15÷0.2, [2]).

Величина потерь напора в дренаже не должна превышать 7 м. При использовании дренажа в виде колпачков их необходимо устанавливать в количестве 35÷50 штук на 1 м² площади фильтра. При расчете потерь напора в дренажных колпачках скорость течения в щелевых отверстиях принимается не менее 1.5 м/с, коэффициент сопротивления ς = 4 [2].

2) в поддерживающем слое:

,

(3.49)

где W – интенсивность промывки, л/(с · м²);

H_n – высота поддерживающего слоя, м.

3) в фильтрующем слое:

,

(3.50)

где а и b – параметры, равные соответственно 0.76 и 0.017 для кварцевого песка с размером зерен 0.5÷1.0 мм, 0.85 и 0.004 для песка с размером зерна 1.0÷2.0 мм;

Н_ф – высота фильтрующего слоя, м.

4) в подводящих коммуникациях – по общей методике расчета трубопроводов исходя из скорости течения воды 1.5÷2.0 м/с.

Дренажные трубы выполняют из коррозионно-стойких материалов – пластмасс или нержавеющих сталей. Для удаления воздуха из трубопровода промывной воды на дренажном коллекторе устанавливают стояки-воздушники диаметром 75÷150 мм.

Желоба, предназначенные для подачи исходной и отвода промывной воды, изготавливаются из железобетона или нержавеющей стали. Дно желобов в поперечном сечении имеет полукруглую или треугольную форму. Верхние кромки желобов должны располагаться строго горизонтально и находиться в одной плоскости. Расстояние между осями желобов – не более 2.2 м.

Ширина желоба определяется по выражению:

,

(3.51)

где α = 2Н_ж/В_ж = 1÷1.5, Н_ж – высота желоба;

К – коэффициент, равный 2 для желобов с полукруглым дном и 2.1 для желобов с треугольным дном;

q_ж – расход воды через один желоб, м³/с:

,

(3.52)

где l – длина желоба, м;

b – расстояние между осями желобов, м.