3.4. Расчет биофильтра

Исходные данные:

Q_сут = 6000 м³ /сут; Q^max_час = 412 м³/час; L_en =188.28 мг/л; L_ex =15 мг/л; T_w= 11 С^0;

где: Q_сут - суточный расход сточных вод;

Q^max_час- максимальный часовой расход сточных вод

L_en – БПК сточных вод, поступающих на биофильтр

L_ex – требуемая величина БПК на выходе из биофильтра

T_w - среднезимняя температура очищаемых сточных вод

Задание: запроектировать аэрофильтр.

Решение:

1. Определение размеров и основных параметров работы биофильтра

1.1. Определение коэффициента рециркуляции K_rc.

K_rc показывает, какая часть расхода воды должна быть возвращена на вход в биофильтр для разбавления поступающих сточных вод очищенными для снижения БПК до допустимых величин.

Коэффициент рециркуляции K_rc определяется по формуле:

/31/

где: - L_mix - БПК_полн смеси исходной и циркулирующей воды, поступающей на аэрофильтр; для аэрофильтров L_mix не должна превышать 300 мг/л;

- L_en, L_ex - БПК_полн соответственно исходной и очищенной сточной воды.

При K_rc≤0 циркуляция сточных вод не предусматривается, коэффициент рециркуляции принимается равным нулю K_rc=0.

1.2. Определение коэффициента нагрузки на аэрофильтр K_af.

Если фильтр работает без циркуляции, K_af =L_en/L_ex. K_af=188,28/15=12,55.

Если биофильтр работает с циркуляцией, K_af =L_mix/L_ex.

1.3. Далее работаем с табл.38 СНиП 2.04.03-85. По найденному коэффициенту нагрузки на аэрофильтр K_af =12,55 и по среднезимней температуре сточных вод Т^о_w=11С⁰ выбираем параметры работы сооружения:

- высоту загрузки аэрофильтра: Н_af =4 м;

- гидравлическую нагрузку на аэрофильтр q_af=10 м³/(м²×сут);

- удельный расход воздуха для вентиляции аэрофильтра q_а =10 м³/(м³).

Если в табл.38 нет вычисленного значения K_af, то есть, если оно больше или меньше всех приведенных в таблице, то проектируют биофильтр с рециркуляцией сточных вод. В других случаях значение параметров работы фильтра принимаем по ближайшему большему значению K_af.

1.4. В общем случае требуемая площадь аэрофильтров F_af, (м²) определяется по формуле:

_/32/

где׃ Q = Q _сут - суточный расход сточных вод (м³/сут).

При очистке без рециркуляции, при К_rc = 0:

F_af = Q/q_af /33/

В примере:

F_af = 6000/10=600(м²)

1.5. Объем загрузки аэрофильтра V_af, м³ :

V_af = Н_af * F_af (м³) /34/

V_af = 4*600=2400 (м³)

1.6. По требуемой площади аэрофильтров F_af, (м²) определяется количество секций аэрофильтров и размеры каждой секции. Число секций должно быть не менее 2-х и не более 8-ми /1/.

Размеры типовых секций биофильтров

Таблица 6

l, м	3	3,6	9	12	15	12
b, м	3	4	12	12	15	18

Принимаются 6 секций аэрофильтра с размерами в плане 9*12(м ).

2. Расчет спринклерной водораспределительной системы биофильтра.

Спринклерная водораспределительная система биофильтра состоит из следующих элементов:

- дозирующий бачок; он имеет форму опрокинутой усеченной пирамиды; работа бачка основана на срыве гидрозатвора,

- распределительная тупиковая сеть трубопроводов;

- оросители - спринклеры.

Работа системы носит циклический характер: орошение загрузки сточными водами чередуется с подачей воздуха в загрузку. Полный цикл «орошение-вентиляция» составляет не более 14 минут: в течение 5-6 минут (не более) подаются сточные воды, 5-8 минут – воздух.

При расчете системы должны быть определены следующие параметры:

- расход воды из каждого оросителя,

- необходимое число оросителей,

- диаметры участков разводящей сети,

- объем дозирующего бачка, его рабочая высота, размеры верхнего и нижнего сечения,

- временные параметры работы системы: продолжительность орошения, вентиляции и общая продолжительность цикла.

Расчет спринклерной системы ведется для одной секции биофильтра, по максимальному часовому расходу сточных вод, приходящему на одну секцию Q₁^max = Q^max: k. В формуле Q^max-максимальный часовой приток на все биофильтры с учетом циркулирующего расхода сточных вод, k-количество секций биофильтра.

В примере Q₁^max = 412/6=68,6 м³/час.

2.1. Определение максимального и минимального расхода воды через одну спринклерную головку: q^max_сприн и q^min_сприн (м3/сек).

Максимальный расход идет в начале стадии орошения, при полном бачке Мюллера, а минимальный – в конце, при нижнем уровне воды в бачке.

q^max_сприн = μ * ω * √(2*g* h^max_св) /35/

Σq^min_сприн = μ * ω * √(2*g* h^min_св) /36/

В формулах:

- ω - площадь сечения отверстия спринклера (м²) определяется по диаметру отверстия d_сприн; d_сприн надлежит принимать 13 – 40 мм /1/;

- h^max_св и h^min_св - свободный напор у разбрызгивателя в начале и в конце орошения соотвественно, h^max_св =1,5 м; h^min_св= 0,5 м;

- μ - коэффициент истечения из отверстия (коэффициент расхода), μ = 0,67;

- g – ускорение свободного падения, g =9,81м/сек².

Для облегчения расчетов по этим формулам составлены справочные графики (см.учебник С.В.Яковлев и др. «Канализация», 1976 г.) или таблицы:

Определение расхода воды через оросители

Таблица 7

dсприн (мм)	Расход через спринклер qmaxсприн и qminсприн,л/мин (л/сек) при напоре перед спринклером:
	hmaxсв =1,5 м	hminсв= 0,5 м
19	53 (0,88)	30 (0,50)
20	62 (1,03)	36 (0,60)
22	82 (1,36)	47 (0,78)
23,5	94 (1,57)	55 (0,92)
25	110 (1,83)	64 (1,07)

В данном расчете принят диаметр отверстия d_сприн =22мм; значит, q^max_сприн=82 л/мин=1,36 л/с; q^min_сприн=47л/мин=0,78 л/с.

2.2. Определение количества спринклеров в секции аэрофильтра – n.

Наименьший суммарный расход воды через все спринклеры секции Σq^min_сприн должен быть больше максимального притока в бак данной секции Q₁^max .

При несоблюдении этого требования спринклеры будут работать непрерывно, что приведет к прекращению вентиляции биофильтра и, значит, к ухудшению его работы.

Обычно принимают:

Σq^min_сприн =1,5 · Q₁^max (м³/час) /37/

Σq^min_сприн =1,5 ·68,6=102,9 (м³/час)=28,6 (л/с)

Количество оросителей в секции определяется по формуле:

n = Σq^min_сприн / q^min_сприн /38/

n =286/0,78=36,7 (шт.)

С округлением до ближайшего четного числа принимается 36 оросителей.

Размещение оросителей по площади аэрофильтра

Рис.20

2.3. Диаметры участков оросительной сети: магистрали и ответвлений определяются по среднему расходу сточных вод в начале этих участков и по рекомендуемой скорости в трубопроводах.

Средний расход сточных вод на участке оросительной сети определяется по формуле:

Q^сред_уч = (q^max_сприн + q^min_сприн) * n_уч /2 (м³/сек) /39/

Где: n_уч – количество спринклеров, обслуживаемых расчетным участком сети.

Скорости сточных вод V (м/с) рекомендуется принимать:

- в магистрали: V_маг = 1 м/с,

- в ответвлениях: V_отв = 0,75 м/с.

На практическом занятии занятии подробного расчета тупиковой оросительной сети аэрофильтра выполнять не требуется.

2.4. Определение рабочей высоты дозирующего бака.

Рабочая высота бака Н_раб(м) равняется разности напоров при верхнем и нижнем уровнях воды в баке Н_max и Н_min соответственно (см.рис.21):

Н_раб = Н_max – Н_min /40/

Рабочая высота дозирующего бака:

Рис.21

Расчетные напоры определяются по формулам:

Н_max = h^max_св + (h^max_сети + h^max_сиф + h^max_бак) /41/

Н_min = h^min_св + (h^min_сети + h^min_сиф + h^min_бак) /42/

В формулах суммы в скобках – потери напора в системе: в сети, в сифоне, в баке. Для предварительных расчетов, без подробного расчета участков сети, потери можно принять:

- при максимальном уровне воды в баке (h^max_сети + h^max_сиф + h^max_бак) =0,6 м,

- при минимальном уровне воды в баке (h^min_сети + h^min_сиф + h^min_бак) =0,2 м.

Свободные напоры у самого дальнего разбрызгивателя в начале и в конце орошения (при полном и пустом баке) h^max_св =1,5 м; h^min_св= 0,5 м.

Таким образом, в предварительных расчетах рабочую высоту бака можно принять Н_раб = Н_max – Н_min = (1,5+0,6) – (0,5+0,2) = 1,4 (м).

2.5. Определение размеров дозирующего бака: объема W_бак, площадей верхнего и нижнего сечений - F_{в и} F_н (м²).

Объем дозирующего бака зависит от продолжительности его рабочего цикла «наполнение-опорожнение» (орошение-вентиляция) - t_цикл. Цикл не должен превышать 14 минут; при этом продолжительность опорожнения бака t_on (продолжительность орошения поверхности биофильтра сточными водами) принимают обычно не более 5-6 мин. Остальное время t_нап – время наполнения бака между орошениями (продолжительность вентиляции фильтра)

W_бак = (Q^сред – Q₁^max) · t_on (м³) /43/

Где:

- Q^сред – средний расход через все спринклеры, питаемые баком данной секции; по формуле /39/: Q^сред = (q^max_сприн + q^min_сприн)* n / 2 =

= (1,36*10^-3 +0,78*10^-3 )*36/2=0,039(м³/сек);

- Q₁^max – максимальный приток сточных вод в бак секции; Q₁^max =68,6 м³/час=0,02 м³/сек

- t_{on -} продолжительность опорожнения бака, не более 300-360 сек, принимается t_on=300 сек, или 5 мин.

Тогда объем бака по формуле /43/:

W_бак=(0,039-0,02)*300=5,7 м³

Продолжительность наполнения бака t_нап составит:

t_нап = W_бак / Q₁^max /44/

t_нап=5,7/0,02=285 (сек)=4,75 (мин)

Время полного цикла работы бака t_цикл = (t_оп + t_нап) не должно превышать 14 минут; t_цикл = 5+4,75=9,75<14мин.,условие выполняется. Если продолжительность цикла получается большей, то расчет производят снова, задаваясь другими значениями параметров системы: меньшей продолжительностью опорожнения, другой высотой бака, другими диаметрами отверстий разбрызгивателей и т.д.

Зная рабочую глубину бака Н_раб и его объем W_бак, определяют длины сторон квадратных сечений бака: верхнего - a_в и нижнего - a_н при помощи системы уравнений:

W_бак = Н_раб*| a_в² + a_в*a_н + a_н²|:3 /45/

a_в² / a_н² = q^max_сприн/ q^min_сприн /46/

Отсюда: a_н=1,7 м; a_в=2,3 м.