12.4. Системы распределения сточных вод по поверхности биофильтров

Надежная работа биофильтра может быть достигнута только при равномерном орошении водой его поверхности. Орошение производится распределительными устройствами, которые подразделяются на две основ­ные группы: неподвижные и подвижные. К неподвижным распределителям относятся дырчатые желоба или трубы и разбрызгиватели (спринклеры), к подвижным - качающиеся желоба, движущиеся наливные колеса и вра­щающиеся реактивные распределители (оросители). В отечественной и за­рубежной практике наибольшее распространение получили спринклерное орошение и орошение с помощью подвижных оросителей.

Спринклерное орошение. Спринклерная система состоит из дози­рующего бака, разводящей сети и спринклеров (рис. 12.5). Дозирующий бак (рис. 12.6) автоматически подает воду в спринклерную сеть под постоян­ным напором. Продолжительность опорожнения бака (период орошения), зависящая в основном от вместимости бака и размеров выпускной трубы, всегда одинакова; продолжительность же наполнения бака зависит только от притока сточных вод, который колеблется в течение суток. Поэтому орошение биофильтра производится периодически, через неравные по про­должительности интервалы. Во избежание сильного охлаждения необогре-ваемых биофильтров интервал между орошением не должен превышать 5-8 мин.

и

А

. ¹ I'

Рис. 12.5. Схема спринклерной водораспределительной сети биофильтра [(обозначения см. в формулах (11.38)—(11.53)]:

/ - дозирующий бак; // - магистральная труба; /// - разводящие трубы; IV - спринклеры; 1-11- расчетные участки водораспределительной сети

С принклеры (спринклерные головки) - специальные насадки, надетые на концы стояков, которые ответвляются от водораспределительных груб, уложенных на поверхности или в теле биофильтра. Отверстия спринклерных

г оловок невелики - обычно 19; 22 и 25 мм. Во избежание коррозии спринкле­ры изготовляют из бронзы или латуни.

Один из типовых насадков, применяемый в отечественной прак­тике, показан на рис. 12.7.

При большой площади био­фильтры разделяются на секции с самостоятельными водораспредели­тельными сетями и отдельными до­зирующими баками. В отечественной практике наибольшее распростране­ние получил дозирующий бак с си­фоном.

Выпускная труба из дози­рующего бака представляет собой сифон, верхний срез которого возвы­шается над дном бака. Внутри дози­рующего бака расположен опрокину­тый стакан, установленный на под­

ставках и не доходящий до дна бака. К стакану в верхней его части присое­динены две трубки. Одна из них - воздушная трубка - заканчивается открытым концом в баке; другая трубка, представляющая собой вентиляционный затвор или регулятор напора, заканчивается открытым концом выше максимального уровня воды в баке. Кроме того, регулятор напора присоединен патрубком к главной выпускной трубе. В верхней части бака имеется переливная труба, диаметр которой принимается в соответствии с притоком воды в бак.

Действие автоматического сифона заключается в следующем. Вна­чале вода в баке стоит на низшем уровне А, соответствующем нижнему колену воздушной трубки. В сифоне вода в это время стоит на уровне Б/ выходного отверстия спринклеров; регулятор напора заполнен водой до уровня В/, на котором он присоединен к стакану. По мере поступления во­ды горизонт ее в баке повышается, при этом давление под стаканом и в от­водной трубе остается равным атмосферному до тех пор, пока уровень ее не дойдет до отверстия воздушной трубки. После этого выход воздуха из-под стакана прекращается, и воздушное давление в нем по мере заполнения бака начинает возрастать. Уровень воды при этом в главном сифоне и регу­ляторе понижается, в то время как горизонт ее в другой ветви регулятора остается на уровне переливного патрубка.

Когда горизонт воды в баке достигнет наивысшего уровня, а гори­зонт воды под стаканом достигнет верхнего края отводной трубы, уровень воды в регуляторе напора упадет до уровня нижнего его колена В₂, а в главном сифоне - до уровня Б₂ также почти у нижнег о колена. При этом давление воздуха под стаканом, в главной трубе сифона и в регуляторе на­пора будет равно высоте водяного столба h_un-,. В следующий момент гид­равлический затвор в регуляторе напора прорвется, давление под стаканом упадет до атмосферного, вследствие чего вода из бака устремится в глав­ную трубу и будет вытекать из нее до тех пор, пока горизонт в баке не упа­дет до уровня А нижнего колена воздушной трубки. Как только воздух че­рез нее проникнет под стакан, действие сифона приостановится, ггри этом колено регулятора напора, засасывающего во время действия сифона воду из главной отводной трубы, останется заполненным водой.

Для регулирования наивысшего уровня воды в баке, при котором начинают действовать сифоны, верхнюю часть регулятора напора делают подвижной на сальниках; поднимая или опуская переливной патрубок ре­гулятора напора, можно установить начало действия сифона как раз в тот момент, когда уровень воды под стаканом доходит до края выпускной тру­бы. Отводную трубу от бака можно устраивать с гидравлическим затвором и без него. Диаметр сифона равен диаметру магистральной трубы. Внут­ренний диаметр стакана принимают равным двум диаметрам трубы сифона, но он может быть и больше.

По мере вытекания воды из бака радиус действия спринклера, за­висящий от напора, постепенно уменьшается, и таким образом орошается вся площадь круга вокруг спринклера. Для более равномерного распреде­ления воды по орошаемой гглощади дозирующему баку придают такую форму, при которой площадь его горизонтальных сечений на различных

уровнях пропорциональна расходу воды из бака в данный момент. Этому требованию с достаточным приближением удовлетворяет форма опрокину­той усеченной пирамиды. Площадь нижнего ее сечения назначают в зави­симости от размера выходной трубы; площадь верхнего сечения (соответ­ствующего уровню воды при максимальном напоре) определяется из ука­занного соотношения.

Расчет водораспределительной системы сводится к определению расхода воды из каждого разбрызгивателя (спринклера), определению не­обходимого их числа, диаметра разводящей сети, вместимости и времени работы дозирующего бака. Расчеты ведутся по максимальным расходам, поступающим в каждую секцию биофильтра; начальный свободный напор у разбрызгивателей принимается около 1,5 м, конечный — не менее 0,5 м; диаметр отверстий разбрызгивателей - 18-32 мм; период орошения при максимальном расходе - 5-6 мин.

Максимальный расход воды из разбрызгивателя q_max, м³/с, опреде­ляется по формуле

Я_тах=^²ёН_св, (12.1)

где р - коэффициент истечения, принимаемый равным 0,67; со - полезная площадь сечения отверстия разбрызгивателя, м ; Н_св - свободный напор у разбрызгивателя, м.

Максимальный секундный расход, который может быть подан на одну секцию биофильтра, определяется по формуле:

£?»«* = ч_тах^п = я_тах[f_c //, \ (12.2)

где п - число разбрызгивателей в одной секции; F_c - площадь одной секции биофильтра, м²; f_p - площадь, орошаемая одним разбрызгивателем.

Каждый разбрызгиватель орошает вокруг себя площадь радиусом R, который зависит от свободного напора у разбрызгивателя.

Для равномерного орошения всей поверхности биофильтра необ­ходимо правильно выбрать схему расположения разбрызгивателей. При расположении разбрызгивателей рядами (рис. 12.8, а) орошаемая площадь составит 78,5% общей площади, а при расположении их в шахматном по­рядке (рис. 12.8, б) - около 90% общей площади. Разбрызгиватели распола­гают так, чтобы площадь, орошаемая одним из них, частично перекрывала площади, орошаемые соседними разбрызгивателями (рис. 12.8, в). Площадь орошения одним разбрызгивателем f_p условно принимают равной площади правильного шестиугольника, вписанного в круг радиусом,

/ =3/2-(/?²л/з) = 2,6Л², (12.3)

откуда R, м, составит:

R=Jfp~l\fi\. (12.4)

В этом случае расстояние между разбрызгивателями равно 1,73R, а между рядами - 1,5R.

В еличину f_p выбирают с таким расчетом, чтобы она не вызывала чрез­мерного увеличения свободного напора (который обычно принимают равным 1,5 м) и увеличения диаметров трубопрово­дов спринклерной системы.

Радиус орошения разбрызгивате­ля и максимальный расход в зависимости от свободного напора у насадка Н_св могут быть определены по графикам (рис. 12.9).

Разводящую сеть необходимо рассчитывать с учетом восстановительно­го напора, который возникает в результа­те переменного расхода воды вдоль пути ее движения по трубопроводам, а также с учетом местных сопротивлений, возни­кающих на поворотах, в местах измене­ния диаметров труб и пр.

Т аким образом, потери напора могут быть подсчитаны по формуле _Л = 1(Я.//Г,).(^) ₊ 1с{^)-1,х^ _{+ 1}-^у₂,, (12.5)

где Я-l/D - величина, характеризующая потери напора по длине трубопро­вода; v\+i и v_k - скорости движения воды в распределительных трубопро­водах до и после ответвления; £ - коэффициент местного сопротивления; j] - коэффициент восстановления скоростного напора, принимаемый рав­ным около /.

При длинной распределительной сети восстановительный напор можно не учитывать.

Потери напора определяют для наиболее удаленного от дозирую­щего бака разбрызгивателя. Скорость протока в главной магистральной трубе обычно принимают равной 1 м/с, а в разводящих трубах, на которых установлены стояки с разбрызгивателями, - до 0,75 м/с.

Максимальный уровень воды в дозирующем баке Н_о6щ, м (см. рис. 12.6), при котором должно начаться орошение, определяют по формуле

Нобщ = # max + I A_max + Ас + hg , (12.6)

где

max - максимальный свободный напор у самого отдаленного раз­брызгивателя, м; £h_max - максимальные потери напора в сети с учетом вос­становительного напора и местных сопротивлений, м; h_cYL h₆- потери напо­ра соответственно в сифоне и баке, м.

Для предварительных подсчетов сумму всех потерь при макси­мальном расходе можно принимать равной 25% от общего напора Н₀б_щ.

Наименьший суммарный расход воды через разбрызгиватели q должен быть больше максимального притока в бак q_np. При несоблюдении этого требования разбрызгиватели будут работать непрерывно, что приве­дет к неравномерному орошению биофильтра и ухудшению его работы. Обычно принимают q_mi_n = 7,5q_np . Величину q_np определяют по формуле

q_np=QK₄/86400N, (12.7)

где Q - среднесуточный приток воды на биофильтр, м³; К_ч - коэффициент часовой неравномерности притока; N - число установленных дозирующих баков.

Свободный напор можно определять как по минимальному расхо­ду, пользуясь графиком (см. рис. 12.9, б), так и по отношению минимально­го расхода воды из разбрызгивателя к максимальному.

Максимальный расход в соответствии с формулой (12.1)

q =nmhgH^ce =А,\н^св , (12.8) ^max ^п V max V max

где А - постоянный коэффициент для насадков данного типа и размера. Минимальный расход соответственно:

= AjH^ce , (12.9) V mm

'mm отсюда

Н^св- =q²- Яй?_ах/о2 . (12.10)

mm ^min max/'/max v >

Во избежание засорения разбрызгивателей свободный напор для них Н_св, обычно принимают равным 0,5 м. Зная минимальный и макси­

мальный свободные напоры и определив соответствующий последнему расход по формуле (12.9), определяют расход при минимальном напоре.

Объем дозирующего бака W зависит от продолжительности периода между двумя его последовательными опорожнениями, который принимают равным 5-8 мин; продолжительность опорожнения бака 1-5 мин, тогда:

W = (q_cp-q_np)-t„„60, (12.11)

где q_cp - средний расход через разбрызгиватели, питаемые данным баком, л/с, приблизительно равный:

icp

■[(^^_т,Лп-1\]/2, (12.12)

q_np - максимальный приток сточных вод в бак, л/с; t_on — продолжитель­ность опорожнения, мин; п - число разбрызгивателей, обслуживаемых ба­ком.

Рабочую высоту бака Н_р принимают по формуле:

Н=Н -(н^СВ₊гг_тт), (12.13) Р общ \ min ^mln J

где Н^_т - свободный напор при минимальном расходе; /г_т;_п - потери напо­ра при минимальном расходе, обычно принимаемые равными 0,25 м.

Зная рабочую глубину и объём бака и задавшись площадью его нижнего сечения - F,„ можно из соотношения FJF_H = q_max/<lmin опреде­лить площадь верхнего сечения - F_e.

Иногда искомой величиной является продолжительность опорож­нения бака t_on. Ее находят по заданной вместимости бака и значениям расходов q_cp и q_np исходя из полного цикла работы бака:

t^ton+tnan, (12.14) где t_Han - продолжительность наполнения; равная

tmn = Wlq*p, (12.15)

Если вычисленное значение t_on не выходит из указанных ранее пределов, то вместимость бака подобрана правильно. Если продолжитель­ность получается большей, то расчет производят снова, задаваясь другими значениями высоты бака и расхода из разбрызгивателя.

Расчет сифона основан на законе Бойля - Мариотта. Действие си­фона начинается тогда, когда избыточное давление h иод колоколом (ста­каном) достигает значения, соответствующего максимальному уровню во­ды в баке. При рабочей высоте бака Н_р избыточное давление:

Кб =H_p-h„ (12.16)

где hi - высота расположения верха разводящей трубы сифона над дном бака.

Регулирующая напор трубка (см. рис. 12.6) должна присоединяться к стакану на высоте не менее к_изб, считая от уровня колена В₂. Диаметр ре­гулирующей трубки принимают равным 19 мм, а воздушной трубки -25-38 мм.

Трубы распределительной сети укладывают или на специальные столбы, или прямо на фильтрующую загрузку на глубине 0,5-0,7 м от по­верхности биофильтра. Сеть укладывают с уклоном, чтобы ее можно было опорожнить в случае необходимости. В конце каждой трубы целесообразно иметь пробку, через которую можно было бы промыть трубопровод чистой водой. Спринклерные головки устанавливают обычно на 0,15-0,2 м выше поверхности загрузки биофильтра.

Водоструйная система орошения. Водоструйная система ороше­ния (в основном для биофильтров с плоскостной загрузкой) состоит из:

• магистрального трубопровода или лотка;

• разводящей сети или лотков;

• насадочных элементов цилиндрического, конического или конои-дального типа с отверстиями диаметром 15-32 мм, расположен­ными на днище разводящих труб и лотков;

• водоотбойных круглых в плане розеток, имеющих плоскую или вогнутую сферическую форму с гладкими или фигурными кром­ками.

На рис. 12.10 приведены схемы оросителей струйного типа и зави­симость расхода сточной воды через насадку от высоты расположения на-садочного элемента.

Водоотбойные розетки располагаются над поверхностью загрузоч­ного материала или непосредственно на его поверхности; в первом случае они подвешиваются к разводящим трубопроводам или лоткам, а во втором - закрепляются на поверхности загрузки. Разводящая сеть располагается над поверхностью загрузочного материала на высоте 0,5-1 м.

Сточная вода из магистрального водовода поступает в разводящую сеть и через насадочные элементы изливается в виде струй на водоотбой­ные розетки. Ударяясь о розетку, струя воды разбивается на мелкие брызги и струйки, равномерно орошая поверхность загрузочного материала био­фильтра.

Расчет водоструйной системы сводится к определению размеров разводящей сети (ширина и высота лотка или диаметр трубы), а также чис­ла и диаметра отверстий насадочных элементов. При монтаже водоструй­ной системы особое внимание обращается на расположение водоотбойных розеток по отношению к насадочным элементам, вертикальная ось которых должна располагаться строго над центром водоотбойных розеток.

Следует отметить, что гидравлическая нагрузка на биофильтры с плоскостным загрузочным материалом должна быть достаточна, чтобы обеспечить пленочное течение жидкости и отсутствие мертвых зон. Не­большая гидравлическая нагрузка приводит к срыву режима пленочного течения и переходу его в струйный, что существенно снижает коэффициент использования поверхности для биообрастаний.

Р еактивные вращающиеся водораспределители (оросители).

В ращающийся ороситель состоит из двух, четырех или шести дырчатых труб, консольно закрепленных на общем стояке. Вода из распределитель­ной камеры под напором поступает в стояк, установленный на шариковых подшипниках; стояк может вращаться вокруг своей вертикальной оси. Из стояка вода поступает в радиально расположенные трубы и через отверстия в них выливается на поверхность биофильтра. Под действием реактивной силы, возникающей при истечении воды из отверстий, распределитель вращается. Такие реактивные оросители получили большое распростране­ние в отечественной и зарубежной практике (рис. 12.11).

Для приведения в действие реактивного оросителя необходим сравнительно небольшой напор (0,2 - 1м), что является одним из досто­инств этого водораспределителя. Кроме того, при реактивных оросителях

отпадает необходимость в устройстве дозаторов. Диаметр отверстий в ра-диально расположенных трубах принимается равным 10-15 мм, расстояние между отверстиями увеличивается от периферии к центру, что обеспечива­ет более равномерное орошение биофильтра.

Расчет реактивного оросителя состоит в определении его размеров, числа распределительных труб, числа отверстий на распределительных трубах, расстояний между отверстиями, числа оборотов оросителя и напора воды, обеспечивающего необходимые скорости истечения воды из отвер­стий оросителя.

Диаметр реактивного оросителя D_op, мм, зависит от диаметра био­фильтра D_hj\ D_op = D_bj- - 200. Принимая в каждом оросителе по две-четыре распределительные трубы, определяют их диаметр D_mp при условии движе­ния жидкости в начале трубы со скоростью свыше 0,5 м/с, но не более 1 м/с

(12.17)

_{Dmp =V4^//7rWV}

где q_bj - расчетный расход на биофильтр, м /с; п_тр - число распределитель­ных труб в оросителе.

Число отверстий на каждой распределительной трубе п_отв опреде­ляют при условии, что скорость истечения из отверстий не менее 0,5 м/с, а диаметр отверстий d - не менее 10 мм

\-[\-{zq_Dopf]. (12Л8)

Расстояние до любого отверстия от оси реактивного оросителя:

Г1=Яо_Рф/п_отв, (12.19) радиус оросителя, мм; / - порядковый номер отверстия от оси

Rn

где пор оросителя.

Частота вращения реактивного оросителя, мин"',

щ = (34,8• 10б/„_отв -di„_w ■ D_op){qln_mp). (12.20)

Ьр

Требуемый напор у реактивного оросителя Н_ор, мм, определяется по формуле

(12.21)

Пор = {ч/птрР ■ (250• 10⁶/4тв' nl_me -8ЫО⁶/й}_пр + 294 ■ D,

где q - расчетный расход, л/с; d_omls - диаметр отверстий, мм; п_отв - число от­верстий в каждой радиальной трубе (плече); D_mp - диаметр радиальных труб оросителя, мм; D_up - диаметр оросителя, мм, равный О_йф - 200 мм; К - мо­дуль расхода, л/с, равный -к-В^г_тр -C-^R/4 (здесь С - коэффициент сопро­тивления, определяемый по формуле Н.Н. Павловского; R - гидравлический радиус радиальной трубы оросителя).

Значения К для труб различных диаметров D_mp приведены в табл. 12.2.

Таблица 12.2

Dm„ мм	50	63	75	100	125	150	175	200	250
К, л/с	6	11,5	19	43	86,5	134	209	300	560

Величина Н_ор должна быть не менее 0,5 м. Распределительные тру­бы реактивного оросителя располагаются на 0,2 м выше поверхности загру­зочного материала.