2.7 Скорые безнапорные фильтры.

Фильтры предназначены для осветления воды, они способны задержать практически все мельчайшие взвеси.

Важнейшей характеристикой работы фильтров является скорость, в зависимости от которой подразделяют на медленные (0,1 – 0,3 м/ч), скорые (5 – 12 м/ч), сверхскорые (36 – 100 м/ч)

Фильтры можно классифицировать: по числу фильтрующих слоёв – однослойные, двухслойные; по давлению – напорные, безнапорные.

Скорые безнапорные фильтры применяются в двухступенчатых схемах очистки воды с предварительным осветлением в отстойниках, осветлителях с реагентной обработкой для получения воды питьевого качества. (рисунок 2.10)

Сущность процесса – вода фильтруется через фильтрующий материал, при этом происходит отложение частиц, фиксация и отрыв. Фильтрование является заключительным этапом обработки воды.

Скорый безнапорный фильтр – это прямоугольный железобетонный резервуар, который загружен кварцевым песком, уложенным на гравийный поддерживающий слой. Осветляемая вода подается на фильтр, проходит все слои фильтрующей загрузки, в которой задерживаются взвешенные частицы и собирается дренажной системой. Дренаж выполняют из перфорированных труб. Из дренажа по трубопроводу чистая вода отводится в резервуар чистой воды. По мере работы фильтра, взвеси накапливаются и фильтр выходит из работы, поэтому его переодически промывают, обратным током воды через 10 – 12 часов. При движении воды снизу вверх через слой загрузки, фильтрующий слой расширяется, увиличиваясь в объёме и перемешивается в результате происходит промывка зёрен загрузки от загрязнений. Промывная вода собирается желобами и отводится в канал или карман. Продолжительность промывки 3 – 8 минут. После промывки фильтр снова включают в работу.

Рисунок 2.10 – Скорй фильтр: 1 – подводящая труба; 2 – желоба для отвода промывной воды; 3 – карман; 4 – дырчатые трубы (ответвления) распределительной системы; 5 – коллектор; 6 – канал для отвода промывной воды; 7 – труба для сброса первого фильтрата и опорожнения фильтрата; 8 – трубы для подачи промывной воды; 9 – труба для отвода промывной воды; 10 – туба для отвода профильтрованной воды; 11 – уровень воды для промывки фильтра.

Основными исходными данными для расчётов фильтров является: полезная производительность станции, продолжительность работы и расчётная скорость фильтрования при нормальном режиме работы. (таблица 2.5)

Таблица 2.5 – Исходные данные при проектировании фильтров

Типы филь-тров	Фильтрующая загрузка			Скорость фильтрования, м/ч		Параметры промывки
	Материал	крупность, мм	высота, мм	при нор-маль-ном режи-ме	попус-тимая в форси-рован-ном режиме	отно-ситльное рас-шире-ние, %	Интен-сив-ность про-мывки, л/с·м2	продол-житель-ность про-мывки, мин
Одно-слой-ные	песок кварц. то же	0,5 - 1,2 0,7 - 1,6	700 - 800	5,0 - 6,0	6,0 - 7,5	45	12 - 14	6 - 5
			1300 - 1500	6,0 - 8,0	7,0 - 9,5	30	14 - 16	6 - 5
		0,8 - 2,0	1800 - 2000	8,0 - 10,0	10,0 - 12,0	25	16 - 18	6 - 5
	дроб. керамзит то же	0,5 - 1,2	700 - 800	6,0 - 7,0	7,0 - 9,0	45	12 - 15	6 - 5
		0,7 - 1,6	1300 - 1500	7,0 - 9,5	8,5 - 11,5	30	12 - 15	6 - 5
		0,8 - 2,0	1800 - 2000	9,5 - 12,0	12,0 - 14,0	25	12 - 15	6 - 5
Двух-слой-ные	песок кварц. и дроб. антра-цит	0,8 - 1,2	700 - 800	7,0 - 10,0	8,5 - 12	50	14 - 16	7 - 6
		0,8 - 1,8	400 - 500

Расчёт фильтра ведётся на два режима работы при форсированном и нормальном с учётом выключения отдельных фильтров на промывку и ремонт.

Общая площадь фильтров на станции определяется:

, м² (2.97)

где - полезная производительность станции, м³/сут ;

– продолжительность работы станции в течении суток, ч;

- расчётная скорость фильтрования при нормальном режиме, м/ч;

- число промывок одного фильтра;

- удельный расход воды на одну промывку 1м² фильтра, м³/м²;

– время простоя фильтра в связи с промывкой, ч. (принимается для фильтров, промываемых водой – 0,33 ч, если воздух с водой - 0,5 ч).

Удельный расход воды для фильтров, промываемых водой, составит:

л/с м² (2.98)

где – интенсивность л/с м² и продолжительность промывки фильтра, ч.

По общей площади фильтров определяется их количество:

, шт. (2.99)

При производительности более 1600 м³/сут рекомендуется принимать не менее 4 фильтров.

Площадь одного фильтра:

, м² (2.100)

Рекомендуется размеры фильтров брать согласно основных типов размеров, которые разработаны проектными организациями:

(B ) – 3,5 5; 5 5,5; 6 6; 6 8; 6 9; 6 12; 12 12. м (размеры по осям стен).

После выбора числа фильтров проверяем скорость фильтрования при форсированном режиме V_ф при условии, что один фильтр находится в ремонте или промывке:

, м/ч (2.101)

где - допустимая скорость фильтрования при форсированном режиме, м/ч;

число фильтров находящихся в ремонте или промывке (при N < 20, =1 , при N > 20 N₁ = 2)

В фильтрах площадью до 40 м² предусматривается боковой карман с наружной стороны вдоль длинной стороны стенки для подвода воды на фильтр и сбора грязной воды после промывки.

Фильтры площадью более 40 м² устраивают с центральным каналом, делящий фильтр на две равные части.

Состав фильтрующей двухслойной загрузки подбираем по таблице 2.5. В качестве поддерживающих слоёв берём гравий различной крупности, его укладывают на распределительную систему. (трубчатая)

Таблица 2.6 – гравийные слои фильтра

Крупность зерен, мм	Высота слоя, мм
40 - 20	Верхняя граница слоёв, д.б. на уровне верха распределительных труб, но 100мм
20 - 10	100 - 150
10 - 5	100 - 150
5 - 2	50 - 100

При крупности загрузки 0,5 – 1,2 мм следует брать пятый слой , размеры зёрен 2 – 12 высотой 100 мм. Общая высота поддерживающих слоёв равна сумме высот гравийных слоёв .

После подбора загрузки и поддерживающих слоёв определяется высота фильтра:

, м (2.102)

где и - высота поддерживающего и фильтрующего слоя, м;

- высота слоя воды над фильтрующей загрузкой (принимается не менее 2^х метров);

– дополнительная высота фильтров, при выключении одного или двух фильтров на промывку, м;

- превышение кромки бортов фильтра над поверхностью воды, принимаемое равным 0,5 м.

Дополнительная высота фильтров:

, м (2.103)

где - суммарная площадь фильтров, выключаемых на промывку, м² ;

- объем воды, накапливающейся за время простоя промываемого фильтра, м³ ;

- суммарная площадь фильтров, в которых накапливается вода, м².

Расчёт распределительной системы. Диаметр центрального коллектора этой системы определяется по расчётному расходу воды на прмывку одного фильтра при W л/с. м² (таблица 2.5)

, м² (2.104)

где , л/с

- скорость движения промывной воды в коллекторе от 0,8 до 1,2 м/с.

Длина распределительных боковых ответвлений с центральным коллектором:

, м (2.105)

Количество распределительных труб в фильтре:

, шт. (2.106)

где - расстояние между осями труб ответвлений, принимается равным 0,25 – 0,35 м.

Диаметр распределительных боковых ответвлений определяется по расчётному боковому расходу и скорости равной 1,6 – 2 м/с:

, л/с (2.107)

Количество отверстий в одной трубе равно:

, шт. (2.108)

где - общее количество отверстий , определяется из условия, что площадь их равна 0,25% площади труб, а размер одного отверстия d₀ = 10 – 12 мм,. Сбор и отвод загрязнённой промывной воды осуществляется желобами полукруглого или пятиугольного сечении. Расстояние между желобами не более 2,2 м.

Расход воды по одному желобу составит:

, м³/с (2.109)

где - количество желобов.

Ширина желоба:

, м (2.110)

где a – отношение высоты прямоугольной части желоба к половине его ширины, обычно 1 – 15;

K – коэффициент для желоба с треугольным основанием K = 2,1, полукруглым K=2.

Высота треугольной части x=0,5 B, а прямоугольной h₁ = 1,5 X, м

Скорость движения воды в желобе принимаем V_ж=0,5 м/с.

Высота кромки желоба над фильтрующей поверхностью загрузки

) + 0,3 , м (2.111)

где H – высота фильтрующего слоя;

l – относительное расширение фильтрующей загрузки, l = 50%.

Расход воды на промывку всех фильтров в % от полной пропускной способности.

, % (2.112)

где q_пр – расход воды на промывку одного фильтра, м³/с;

q_пр = W t (W – интенсивность промывки, - суммарная площадь всех фильтров, продолжительность промывки t = 5 мин = 5*60=300 сек); N – число фильтров;

Q – расчётный полезный расход станции, м³/ч;

T – продолжительность работы фильтра между промывками, ч;

T = T₁ – (t₂ + t₃), (2.113)

где T₁ = 12ч для двухслойных фильтров , T₁ = 8ч для песчаных;

t₂ – время простоя фильтра в связи с операцией при промывке, ч;

t₂ = 0,33 ч;

t₃ – продолжительность сброса первого фильтра, ч;

t₃ =0,17 ч.

T =12 - (0.33+0) =11,67 ч. (2.114)

В настоящее время фильтрат не сбрасывают, t₃=0

Расчёт потерь напора в фильтрах при промывке.

Для определения требуемого напора промывного насоса, необходимо определить потери напора в центральном коллекторе, распределительной системы, в гравийных поддерживающих слоях, фильтрующей загрузке. Общие потери напора при промывке фильтра определяется путём суммирования всех потерь:

, м (2.115)

где - потери в распределительной системе;

, м (2.116)

где ξ – коэффициент сопротивления;

V_K , V_P – скорости движения воды в центральном коллекторе и распределительных трубах, м/с;

ξ=2,2/K² + 1 для труб с круглой перфорацией

где K – отношение суммы площадей всех отверстий распределительной системы к площади поперечного сечения коллектора; K=0,25

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

- потери в поддерживающих слоях гравия м.

, м (2.117)

где - высота слоя гравия над отверстиями распределительных труб, = 0,6 м;

g_пр – интенсивность промывки, л/с м²

- потери напора в фильтрующем слое, м.

, м (2.118)

где a и b – параметры кварцевого песка, которые принимаются в зависимости от размера зёрен: при крупности зерен 0,5 – 1,0 мм a = 0,76, b=0,017; при крупности зерен 1,0 – 2,0 мм a = 0,88, b = 0,004;

H – суммарная высота фильтрующего слоя.

h_тр – потери напора в трубопроводе, подводящем промывную воду к фильтру, м:

h_тр=i L + м. (2.119)

где i – единичная потеря в трубе при скорости V_K =1,2 - 2 – определяется по таблицам Ф.А. Шевелёва;

L – длина трубопровода, м;

м – сумма местных потерь в фасонных частях, арматуре; (принимаем 20% от iL)