84

5. Проектирование фильтровальных сооружений

5.1. Выбор конструкции фильтра

Все фильтровальные сооружения классифицируются по способам фильтрования:

а) объемное: при скорости фильтрования от 1,5 до 15 м/час задержание частиц взвеси происходит во всем объеме фильтрующей загрузки;

б) контактное осветление: при скорости фильтрования от 2,0 до 5,5 м/час и более в порах фильтрующей загрузки происходят процессы коагуляции (образования хлопьев) и задержания взвеси;

в) пленочное: при скорости фильтрования от 0,1 до 0,3 м/час происходит осаждение взвеси на поверхность фильтрующей загрузки и образование макропористой пленки (из взвеси).

Выбор конструкции фильтра производится в зависимости от принятой технологии очистки воды перед ее подачей на фильтровальные сооружения, выбранного способа фильтрования и требований к качеству очищенной воды. Рекомендации по выбору конструкцию фильтра приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

Рекомендации по выбору конструкции фильтра

Технология очистки воды перед подачей на фильтровальные сооружения	Способ фильтрования			Условия применения
	Объемное (скорое)	Контактное осветление	Пленочное (медленное)
	Название	конструкций	фильтров
Предварительная напорная флотация, подача коагулянта		Контактные осветлители		Осветление и обесцвечивание до питьевого качества
Обработка коагулянтами		Контактные осветлители		то же
		Контактные префильтры		Предварительное осветление и обесцвечив. перед подачей воды на фильтры

Продолжение табл. 5.1.
Обработка коагулянтами и флокулянтами	Открытые однослойные			Осветление и обесцвечивание до питьевого качества
	Открытые двухслойные			тоже
	Напорные			то же
	ФПЗ			то же
	Крупнозернистые			Частичное осветление и обесцвечивание
	Установка «Струя»			Осветление и обесцвечивание до питьевого качества
Без применения реагентов	БНФ - НИМИ			Осветление до питьевого качества
	Крупнозернистые			Частичное осветление
			Медленные фильтры	Осветление до питьевого качества

5.2. Расчет скорых однослойных открытых фильтров

Схема скорого однослойного открытого фильтра приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема работы открытого фильтра при фильтровании (а) и при промывке (б): 1— песчаный фильтрующий слой; 2— гравийный поддерживающий слой; 3 — трубчатый дренаж; 4 — желоба для отвода промывной воды; 5 — карман; 6 и 9 - трубопроводы для подачи осветляе­мой и промывной воды; 7 и 8— трубопроводы для отвода промывной осветленной воды; 10— трубопровод для сброса воды в канализацию

Исходными данными для расчета фильтров является выбора материала фильтрующего слоя, производительность станции, продолжительность ее работы в течение суток, расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме. Характеристики различных фильтрующих слоев приведены в таблице 5.2, технологические параметры процессов фильтрования в табл.5.3.

Таблица 5.2.

Характеристика фильтрующего слоя

Материал загрузки	Диаметр зерен в мм.			Коэффициент неоднородности загрузки	Высота слоя, м Нф
	минималь-ный	максималь-ный	эквивалент-ный
Кварцевый песок	0,5	1,2	0,7 – 0,8	1,8 - 2	0,7 – 0,8
	0,7	1,6	0,8 - 1	1,6 –1,8	1,3 – 1,5
	0,8	2	1 – 1,2	1,5 – 1,7	1,8 - 2
Дробленый керамзит	0,5	1,2	0,7 – 0,8	1,8 - 2	0,7 – 0,8
	0,7	1,6	0,8 - 1	1,6 –1,8	1,3 – 1,5
	0,8	2	1 – 1,2	1,5 – 1,7	1,8 - 2

Таблица 5.3.

Технологические параметры процессов фильтрования и промывки

Эквивале-нтный диаметр, мм	Скорость фильтрования, м/ч				Интен-сивность промыв-ки, л/(с м2)	Продол-житель-ность промыв-ки, мин. t	Величина относит. расшире- ния загрузки,% a
	Для кварцевого песка		Для дробленого керамзита
	При нормальном режиме VН	При форсированном режиме VФ	При нормальном режиме VН	При форсиро-ванном режиме VФ
0,7 – 0,8	5 – 6	6 – 7,5	6 – 7	7 – 9	12 - 14	6 – 5	45
0,8 - 1	6 – 8	7 – 9,5	7 – 9,5	8,5–11,5	14 – 16	6 – 5	30
1 – 1,2	8 - 10	10 - 12	8 – 10	10 - 12	16 - 18	6 – 5	25

Общая площадь фильтров определяется по формуле:

, м² , (5.1.)

где Q – полная производительность водоочистной станции, м³/сут.;

Т – продолжительность работы станции в течение суток, час;

V_Н – скорость фильтрования при нормальном режиме, м/ч;

n_пр - число промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации, принимается n = 2 – 3;

q_пр – удельный расход воды на промывку одного фильтра, м³ воды на м² площади фильтра;

- время простоя фильтра в связи с промывкой, принимается =0,33 час.

Удельный расход воды на промывку одного фильтра определяется по формуле:

, м³/м² , (5.2.)

Приближенное количество фильтров определяется по формуле:

, шт., (5.3.)

При окончательном определении количества фильтров необходимо учитывать следующие условия:

а) при Q 1600 м³/сут количество фильтров должно быть не менее 2-х;

б) при Q > 1600 м³/сут количество фильтров должно быть не менее 4-х;

в) должно обеспечиваться соотношение:

, м/ч, (5.4.)

где N₁ – количество фильтров отключаемых на ремонт.

При N < 20 шт., N₁ = 1 шт.; при N 20 шт., N₁ = 2 шт.;

г) Площадь одного фильтра должна быть не более 120 м².

После определения количества фильтров находится площадь одного фильтра:

, м², (5.5.)

Размеры фильтра в плане (а – длина, м и в – ширина, м) рекомендуется ориентироваться на основные типоразмеры (ближе к квадрату) 3,5×5; 5×5,5; 6×6; 6×8,0; 6×9; 6×12; 12×12.

Рис. 5.2. Схема скорого однослойного фильтра

а) продольный разрез, б) поперечный разрез, в) вид сверху г) дренажная система в плане

1-корпус фильтра;2-слой воды на фильтре ; 3- слой фильтрующего материала; 4- гравийные поддерживающие слои; 5 – дренажная (распределительная система); 6 – желоба для отвода промывной воды; 7- карман фильтра; 8 –труба, подводящая воду из отстойника или осветлителя; 9 – труба, отводящая фильтрованную воду; 10 –труба для подачи промывной воды; 11- труба для отвода грязной промывной воды с фильтра; 12- канализационный лоток. I-IV – задвижки.

Рис. 5.3. Схема дренажной системы фильтра

1-коллектор; 2-ответвления; 3 -стояк-воздушник; 4-отверстия на ответвления.

Общий расход промывной воды, пропускаемой через один фильтр, определяется по формуле:

, м³/с, (5.6.)

Диаметр коллектора дренажной системы:

, м, (5.7.)

где V_к – скорость движения воды в коллекторе при промывке принимается 0,8 – 1,2 м/с.

Принимается стандартный диаметр коллектора D_к, мм.

Расстояния между осями ответвлений принимается в пределах: m = 250 – 350 мм.

Площадь фильтра, приходящаяся на одно ответвление:

, м², (5.8.)

Расход промывной воды, приходящийся на одно отверстие:

, м³/с, (5.9.)

Диаметр трубы ответвления:

, м, (5.10)

где V_отв.– скорость движения воды в ответвлении, принимается 1,6 – 2,0 м/с.

Принимается стандартный диаметр D_отв., мм.

При наличии поддерживающих слоев на ответвлении располагаются отверстия диаметром 10 – 12 мм. Общая площадь отверстий должна составлять 0,2 –0,5% от рабочей площади фильтра. Отверстия располагаются в два ряда в шахматном порядке под углом 45⁰ к низу от вертикали.

При отсутствии поддерживающих слоев на ответвлении располагаются щели шириной на 0,1 мм меньше минимального диаметра фильтрующей загрузки. Площадь щелей должна составлять 1,5-2,0 % от рабочей площади фильтра. Щели должны размещаться равномерно поперек оси и по периметру трубы не менее чем в 2 ряда.

Для удаления воздуха из трубопровода, подающего воду на промывку и из коллектора, следует предусматривать стояки-воздушники: на трубопроводе-диаметре 75-150 мм, на коллекторе – диаметром 50 –75 мм.

Высота поддерживающего слоя и крупность фракций принимаются по данным таблицы 5.4

Таблица 5.4.

Характеристики поддерживающих слоев

Крупность зерен в слоях (снизу–вверх)	Высота слоя, мм.
40 – 20	DК + (50 – 100)
20 – 10	100 - 150
10 – 5	100 – 150
5 – 2	50 – 100
2 – 1,2	100
ИТОГО	Σ НП

Общая высота фильтра определяется по формуле:

, м, (5.11.)

где Н_ф - высота фильтрующего слоя, м;

Н_п - высота поддерживающего слоя, м;

Н_в – толщина слоя воды над поверхностью фильтрующей загрузки, м, Н_в 2м;

Н_с - превышение строительной высоты над расчетным уровнем воды,м,

Н_с 0,5 м.

Для сбора и отведения промывной воды предусматриваются желоба пятиугольного или полукруглого сечения. Расстояние между осями соседних желобов должно быть: l_ж 2,2 м. В зависимости от ширины фильтра принимается количество желобов n_ж. Ширина одного желоба определяется по формуле:

, м, (5.12.)

где К_ж – коэффициент формы желоба, принимается: для пятиугольного К_ж = 2,1; для полукруглого К_ж = 2,0,

q_ж - расход промывной воды по одному желобу:

,м³/с , (5.13.)

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

Высота желоба определяется по формуле:

, м, (5.14)

Верхние кромки желобов должны быть строго горизонтальны. Лотки желобов должны иметь уклон 0,01 в сторону кармана фильтра.

Верхние кромки желобов должны располагаться над поверхностью фильтрующей загрузки на высоте:

, м, (5.15.)

где Н_ф – высота фильтрующего слоя,м;

а – относительное расширение фильтрующей загрузки, принимаемое в зависимости от типа фильтра и загрузки по табл.5.3.

Ширина кармана фильтра должна быть в_к 0,7м. Расстояние от дна желоба до дна канала определяется по формуле:

, м, (5.15.)