Распределительные (дренажные) системы скорых фильтров

Тип распреде­лительной системы	Распределительная система (дренаж)	Конструкция распределительной системы фильтра
Большого со­противления	Трубчатая с поддер­живающими слоями гра­вия (см. рис. 36)	Коллектор с трубчатыми ответвле­ниями, имеющими отверстия на ниж­ней полуокружности трубы под уг­лом 45° к вертикали
То же	Колпачковая	Дренажные фарфоровые колпачки ВТИ-5, укрепленные на штуцерах распределительных труб.
То же, с го­ризонтальной компенсацией	Трубчато-брусчатая с поддерживающими слоя­ми гравия (см. рис. 38)	Дырчатые трубы, размещенные в I поддоне фильтра, над которым на­ходится верхняя решетчатая система из железобетонных брусков с прозорами 12—25 мм между ними в свету
Малого со­противления	Брусчатая с поддер­живающими слоями гра­вия (см. рис. 37)	Колосниковая решетка из железо­бетонных брусков без распредели­тельных труб

Скорые фильтры в процессе эксплуатации требуют периодиче­ской (один-два раза в сутки) промывки, которая производится об­ратным током профильтрованной воды, т. е. в направлении снизу вверх.

Интенсивность промывки принимают 12—18 л/сек на 1 м² по­верхности фильтра по ориентировочным данным, приведенным в табл. 37. Действительную величину необходимой интенсивности промывки следует определять опытным путем как при наладке дей­ствия фильтров, так и периодически в процессе эксплуатации.

Вода для промывки подается из напорного бака или насосом. Необходимый напор насоса или высоту расположения бака опреде­ляют гидравлическим расчетом с учетом потерь напора в филь­трах и коммуникациях.

131

Таблица 37

Интенсивность и продолжительность промывки скорых фильтров

Тип фильтров	Интенсивность промывки ω в л/сек-мг	Продолжи­тельность промывки t в мин	Относительное расширение загрузки е в %
Скорые при значениях dэв мм:		6-5
0,7-0,8	12—14		45
0,9-1	14—16		30
1,1-1,2	16-18		25
Скорые с двухслойной загрузкой	13-15	7—6	50

§ 25. Основные теоретические положения процесса фильтрования

По характеру механизма задержания взвешенных частиц раз­личают два основных вида фильтрования: 1) через образующую­ся на поверхности зернистой загрузки пленку; 2) через толщу пес­чаной загрузки (без образования пленки), в которой взвешенные частицы извлекаются из воды и задерживаются на зернах песка под действием сил прилипания.

Способность прилипания свойственна только частицам, не об­ладающим агрессивной устойчивостью, так как последняя препят­ствует как взаимному слипанию частиц, так и их прилипанию к зернам загрузки.

Агрегативная устойчивость частиц устраняется лишь после хи­мической обработки воды, т. е. коагулирования. Поэтому на мед­ленных фильтрах, куда вода поступает без предварительного коа­гулирования, процесс фильтрования происходит после образования тонкопористой пленки на поверхности песчаной загрузки. На ско­ром фильтре формирования пленки не происходит, вода осветля­ется благодаря прилипанию взвешенных частиц на поверхности зерен в толще загрузки фильтра.

Проф. Д. М. Минц, разработавший теорию фильтрования воды через слой зернистого материала, рассматривает два основных ви­да процесса фильтрования суспензий: 1) с образованием осадка; 2) без образования осадка. В первом случае основная масса час­тиц задерживается «а поверхности фильтра, образуя постепенно уплотняющийся слой, во втором случае — задержание частиц про­исходит в самой толще фильтра. Первый случай характерен для фильтрования концентрированных суспензий, а второй — для ма­локонцентрированных тонкодисперсных суспензий. Концентрация взвесей в воде, поступающей на скорые фильтры, обычно измеря­ется десятыми и сотыми долями процента, а размер частиц весьма мал по сравнению с размером пор в зернистом слое фильтра.

132

Следовательно, практически чаще всего имеет место случай фильт­рования малоконцентрированной суспензии. При малой концент­рации извещенных веществ в жидкости накопление их в пористой среде и изменение режима движения во времени происходит мед­ленно. Это позволяет рассматривать движение малоконцентриро­ванных суспензий в течение короткого отрезка времени как ста­ционарное движение однородной жидкости. Однако при этом сле­дует учитывать изменение структуры зернистого слоя, вследствие накопления взвешенных веществ в толще фильтрующей загрузки.

Величины, характеризующие структуру слоя, — гидравлический радиус зернистого слоя, пористость и суммарная поверхность зе­рен в единице объема.

Рассматривая слой фильтрующей загрузки; можно установить, что отношение потерь напора в слое для моментов времени t и t₁ прямо пропорционально квадрату отношения поверхностей зерен загрузки и обратно пропорционально кубу отношения их порис­тостей. По мере накопления вещества в толще фильтра пористость загрузки постепенно уменьшается. Поверхность зерен, омываемая потоком, увеличивается вследствие налипания частиц суспензии, но в то же время отложения на каждом зерне, разрастаясь, соеди­няются между собой. Следовательно, в изменении поверхности зе­рен, омываемых жидкостью, имеются две одновременно действую­щие противоположные тенденции. Ввиду этого величина поверх­ности не может изменяться значительно. Прямым следствием на­копления вещества в загрузке является изменение ее пористости при фильтровании.

Поскольку размер взвешенных частиц, как правило, достаточ­но мал, а крупность пор в толще теска достаточно велика, осадок на поверхности скорого фильтра вообще не образуется. Загряз­нения задерживаются во всей толще загрузку, распределяясь в ней с определенной выше закономерностью. Согласно этой законо­мерности количество задержанного вещества всегда быстро убыва­ет с глубиной в направлении движения воды при фильтровании.

Процесс осветления воды в толще скорого фильтра является совместным действием двух явлений: а) уменьшения концентрации взвешенных частиц ΔС₁за счет их прилипания к зернам загруз­ки; б) увеличения (концентрации частиц ΔС₂ вследствие смывания прилипшей взвеси непрерывным движением воды. Таким образом,

                                                               (65)

где ΔС —количество взвешенных частиц, задержанных слоем за­грузки высотой Δh за период времени Δt.

Величина ΔC₁ Пропорциональна начальной концентрации взве­си при поступлении на фильтр:

                                                               (66)

где β   — параметр взвеси и фильтрующей загрузки;

  Q  — расход воды;

133

C=f(h,t) —начальная концентрация взвеси, поступающей в рас­сматриваемый слой загрузки фильтра. Количество взвеси, которое выносится из фильтра,

                                                                   (67)

где а   —параметр, характеризующий прочность частиц взвеси;

  ρ   —плотность насыщения порового пространства фильтрую­щего слоя, отнесенная к единице его толщины и равная:.

                                                               (68)

Функции C=f(h, t) и ρ=f(h, t) связаны уравнением баланса взвешенных частиц

                                                                   (69)

Из уравнений для ΔC₁ и ΔС₂ найдем

                                                         (70)

Это позволяет получить дифференциальное уравнение

                                                   (71)

Хотя полученное уравнение в частных производных интегриру­ется, но решение его представляет бесконечный ряд

                                     (72)

Сложное выражение зависимости и необходимость определе­ния параметров а и β экспериментальным моделированием де­лает практические расчеты весьма затруднительными.

Поэтому приходится пользоваться критериями подобия, полу­чаемыми из анализа дифференциального уравнения. Такой анализ позволяет выразить основные закономерности процесса фильтро­вания более простым уравнением

                                             (73)

где Т_n  — продолжительность работы фильтра до момента дости­жения предельной потери напора (т. е. период между двумя промывками);

  γ_i   —параметр для учета свойств содержащейся в воде

взвеси;

  φ   — параметр для учета степени неоднородности загрузки;

  υ   — скорость фильтрования в м/ч;

134

  Н  — предельная (конечная) потеря напора в фильтре в м;

  d_э  — эквивалентный диаметр зерен загрузки в мм [см. фор­мулу (64)];

                                                                 (74)

  Т   — пористость зернистого слоя;

  а   — коэффициент формы зерен;

  μ   — динамический коэффициент вязкости воды.

Полуэмпирическое уравнение для определения Т_nпоказывает, что продолжительность работы скорого фильтра между двумя промывками увеличивается пропорционально увеличению: пре­дельной потери напора Н, эквивалентного диаметра зерен песка d_э и коэффициента неоднородности загрузки (т. е. уменьшения пара­метра φ). Период действия фильтра сокращается с увеличением скорости фильтрования υ и толщины фильтрующего слоя h.

Пример. Рассчитать фильтрующую загрузку кварцевого скоро­го фильтра. По графику ситового анализа (см. рис. 35) и табл. 34 находим эквивалентный диаметр песчаной загрузки фильтра d_э=0,74 мм.

Отношение K₁==d₂₀:d_э=0,55:0,74≈0,75 (где d₂₀=0,55 мм — диа­метр зерен песка, соответствующий калибру сита, через которое проходит 20% данного песка).

Определяем величину φ, подставляя значения а=1,24 и m=0,42, полученные опытным путем.

При температуре воды 1°C динамический коэффициент вязкос­ти воды μ=0,0173 дн/сек на 1 см². Тогда по формуле (74)

                            

Значения параметра φ в зависимости от величины отношения К₁приведены в табл. 38.

Таблица 38

Значения параметра φ

K1	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2	2,1	2,2
φ	2,5	1.9	1,5	1,2	1	0,8	0,7	0,65	0,6	0,5	0,45	0,43	0,4	0,37	0,35	0,33	0,3

Следовательно, при величине K₁= 0,75 значение φ—l,7 (по интерполяции).

По табл. 34 при d_э=0,74 мм скорость фильтрования при нор­мальном режиме должна быть υ =6 м/ч.

Принимаем значение γ_i=17 (на основе данных предваритель­ного фильтровального анализа).

Величина предельно допустимой потери напора H=250 см.

135

Расстояние h от поверхности загрузки фильтра до слоя, в ко­тором концентрация взвеси снижена до заданной величины, сос­тавит

                                                       (75)

Тогда

                    

Здесь t_н— время, в течение которого достигается предельная по­теря напора Н (t_н=12 ч). Продолжительность работы фильтра между двумя промывками по формуле (73)

                 

Время, в течение которого данная загрузка способна осветлять воду до заданной степени,

                                             (76)

Величины K₀=6,23 и Х₀=3,5 представляют параметры фильт­рования, зависящие от физико-химических свойств фильтруемой воды, взвеси и ее концентрации. Эти параметры определяются по данным фильтровального анализа.

Следовательно,

                     

Для обеспечения оптимального режима работы скорых фильт­ров отношение t_з:t_ндолжно составлять 1,2—1,5; в данном приме­ре t_з:t_н=14,5:12=1,21.

Таким образом, загрузка фильтра подобрана правильно.

§ 26. Скорые безнапорные фильтры с кварцевой и двухслойной загрузкой

А. Расчет скорых безнапорных фильтров с кварцевой загрузкой

Определение размеров фильтра. Заданная полезная производи­тельность станции, оборудованной скорыми безнапорными фильт­рами с кварцевой загрузкой (рис. 39), составляет Q_сут=31500 м³/сутки, или Q_час=1312 м³/ч, или q_сек=365 л/сек.

Суммарная площадь скорых фильтров будет

                                           (77)

136

 

Рис. 39. Типовая очистная станция производительностью 30—60 тыс. м³/сутки

1 —монорельс; 2 — склад реагентов; 3 — помещение воздуходувок; 4 — насосная; 5 — уголь­ная; 6 — аммонизаторная; 7 — гардероб; 8—лаборатория; 9 — хлораторная; 10 — помеще­ние смесителей; 11 — колодцы из сборных железобетонных элементов; 12 — трубопровод фильтрованной воды; 13 —сточный канал; 14— камеры хлопьеобразования; 15 —трубопро­вод для отвода стоков от отстойников и камер, хлопьеобразования; 16— дырчатая железо­бетонная перегородка; 17 — отстойники; 18 — вентиляционная труба; 19 — отверстия диа­метром 50 мм для взятия проб

137

Тогда

                   

Здесь T —продолжительность работы станции в течение суток в ч;

  υ_р.н — расчетная скорость фильтрования при нормальном ре­жиме эксплуатации, равная 6 м/ч;

  n   — количество промывок каждого фильтра за сутки, рав­ное 2;

  ω  — интенсивность промывки, равная 12,5 л/сек∙м²;

  t₁   — продолжительность «промывки, равная 0,1 ч;

  t₂     — время (простоя фильтра в связи с промывкой, рав­ное 0,33 ч.

Количество фильтров должно быть

                                                                       (78)

Тогда

                                     

Площадь одного фильтра будет 240:8=30 м² с размером в пла­не 5,4X5,55 м.

Скорость фильтрования воды при форсированном режиме сос­тавит

                                                               (79)

Тогда

                           

где N₁— количество фильтров, находящихся в ремонте (N₁=1).

Следовательно, скорость фильтрования при форсированном ре­жиме отвечает требованиям табл. 34.

Подбор состава загрузки фильтра. Загрузка фильтра принята согласно данным табл. 32 и 34. Высота фильтрующего слоя h_ф=700 мм с минимальным диаметром зерен 0,5 мм и максималь­ным 1,2 мм. Эквивалентный диаметр зерен d_э=0,7 мм, а коэффи­циент неоднородности K_н=2.

Поддерживающие слои имеют общую высоту 500 мм и круп­ность зерен 2—32 мм (см. табл. 33).

Расчет распределительной системы фильтра. В проектируемом фильтре распределительная система служит как для равномерно­го распределения промывной воды по площади фильтра, так и для сбора профильтрованной воды.

Интенсивность промывки принята ω=12,5 л/сек∙м² (см. табл. 37). Тогда количество промывной воды, необходимой для одного фильтра, будет q_пр=Fω=30∙12,5=375 л/сек.

138

Диаметр коллектора распределительной системы определяют по скорости входа промывной воды q_кол=600 мм, что при рас­ходе 375 л/сек соответствует скорости υ_кол=1,25 м/сек (в на­чале коллектора рекомендуется υ_кол=1—1,2 м/сек).

Площадь дна фильтра, приходящаяся на каждое ответвление распределительной системы при расстояниях между ними m=0,27м (рекомендуется m=0,25—0,35 м) и наружном диаметре коллектора D_кол = 630 мм, составит:

                           

а расход промывной воды, поступающей через одно ответвление,

                          

Диаметр труб ответвлений принимаем d_отв = 80 мм (ГОСТ 3262—62), тогда скорость входа воды в ответвления будет υ=l,7 м/сек (что не превышает рекомендуемой скорости 1,8—2 м/сек).

В нижней части ответвлений под углом 60° к (вертикали преду­сматриваются отверстия диаметром 10—12 мм.

Отношение площади всех отверстий в ответвлениях распреде­лительной системы ∑f_о к площади фильтра F принимается рав­ным 0,25—0,3%.

При площади одного фильтра F=30 м² суммарная площадь отверстий составит

При диаметре отверстий δ_о=14 мм площадь отверстия f_о=1,54 см². Следовательно, общее количество отверстий в распре­делительной системе каждого фильтра n_о=∑f_о:f_о=750:1,54≈487 шт.

Общее количество ответвлений на каждом фильтре при рас­стояниях между осями ответвлений 0,27 м составит (5,4:0,27)x2=40. Количество отверстий, приходящихся на каждое от­ветвление, 487:40≈12 шт.

При длине каждого ответвления l_отв=(5,55—0,63):2≈2,46 м шаг оси отверстий на ответвлении будет е_о=l_отв:12=2,46:12=0,205 м, или 205 мм (рекомендуется е_о=200—250 мм).

Отверстия располагают в два ряда в шахматном порядке под углом 60° к вертикальной оси трубы.

Для удаления воздуха из трубопровода, подающего воду на промывку фильтра, в повышенных местах распределительной си­стемы предусматривают установку стояков-воздушников диамет­ром 75—150 мм с автоматическим устройством для выпуска воз­духа. На коллекторе фильтра также устанавливают стояки-воз­душники (табл. 39).

Расчет устройств для сбора и отвода воды при промывке фильтра. Сбор и отвод загрязненной воды при промывке скорых фильтров осуществляется при помощи желобов, размещаемых над

139

поверхностью фильтрующей загрузки. Конструкция желобов долж­на: а) предотвращать помехи нормальному расширению загрузки фильтра, вызванному поступлением промывной воды; б) препят­ствовать возможности выноса зерен загрузки вместе с промывной водой.

Таблица 39

---

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 2972; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!