Медленные фильтры

Основным технологическим процессом глубокого безреагентного осветления при­родных поверхностных вод является их медленное (v = 0,1-0,3 м/ч) фильтрование через мелкозернистый песок.

При таком режиме работы сооружения практически все взвешенные коллоидные частицы примесей и даже бактерии задерживаются в 2-3-сантиметровом поверхност­ном слое, преобразующемся со временем в биологически активную фильтрующую сре­ду. С продолжительностью фильтрования в этой среде развиваются биологические и хи­мические процессы, благодаря которым эффект очистки постепенно повышается.

Этот начальный процесс условно называется «созреванием» медленного фильтра. До созревания фильтра коллоиды и бактерии не полностью задерживаются в верхнем слое загрузки. Бактерицидное созревание фильтра зависит от физико-химических свойств воды и длится обычно от 3 до 36 ч. Протекает процесс до тех пор, пока количе­ство бактерий в фильтре не уменьшится до 100 колоний на 1 мл воды. В период созре­вания медленного фильтра фильтрат сбрасывают в канализацию до тех пор, пока не бу­дет соответствовать требованиям, предъявленным к качеству питьевой воды «Вода пи­тьевая». После этого воду начинают подавать потребителям. Период полезной работы фильтра продолжается до времени исчерпания располагаемого напора (обычно он до­стигает 15-30 суток, иногда более). После этого фильтр останавливают и приступают к регенерации верхних слоев загрузки, снимая 2-3-сантиметровый слой или взрыхляя его с одновременной подачей воды на поверхность фильтра для смыва загрязнений в кана­лизационный коллектор.

На рисунке представлены план и поперечный разрез станции с обычными мед­ленными фильтрами. Вода, подлежащая очистке, поступает от насосов I подъема или самотеком (в зависимости от высотной взаимоувязки сооружений) по трубопроводам на каждую из четырех секций, представляющих собой бетонные или железобетонные ре­зервуары глубиной до 3-4 м, круглые или прямоугольные в плане. На дне резервуаров смонтирован дренаж малого сопротивления из дырчатых труб и коробов, поверх кото­рых насыпают поддерживающий слой гравия или щебня толщиной 0,35 м с диаметром зерен от 2 до 32 мм. Выше поддерживающего слоя размещают загрузку из песка с диа­метром зерен 0,3-2,0 м на высоту до 1,2 м.

Станция с медленными песчаными фильтрами

1 - фильтры; 2 — регуляторы скорости фильтрования; 3 - подача исходной воды; 4 — отвод фильтра­та; 5 - желоба; 6 - камера управления; 7 - резервуар чистой воды; 8 - дренаж; 9 - вентиляцион­ный стояк

Постепенно, проходя через мелкозернистую загрузку, вода очищается и с помощью дренажной системы собирается и отводится в РЧВ. Резервуары чистой воды могут рас­полагаться и отдельно от фильтров, на определенном расстоянии (30-50 м) от них. Для обеспечения нормального режима фильтрования слой воды над поверхностью загрузки должен быть не менее 1,2-1,5 м. Кроме осветления воды медленные фильтры снижают на 20-25% ее цветность и задерживают до 95-98% бактерий.

Регенерацию загрузки таких фильтров производят в следующей последовательнос­ти: опускают уровень воды на 25-30 см ниже поверхности песка и специальными лопа­тами снимают 2-1-сантиметровый слой песка. Загрязнения от фильтра удаляют, песок разравнивают, а затем, постепенно подавая воду снизу вверх через дренаж, заполняют фильтр и обеззараживают.

Сумму всех последовательных операций (созревания, полезного периода фильтро­вания и регенерации) называют фильтроциклом медленного фильтра. С каждым новым фильтроциклом грязеемкость фильтра, измеряемая соотношением количества задер­жанных за период полезной работы фильтра загрязнений к единице площади (или объ­ема загрузки) фильтра, уменьшается. В связи с этим через 15-20 фильтроциклов про­должительностью по 7-25 сут каждый необходимо проводить полную очистку песка или замену его чистым.

Небольшие допустимые значения по мутности холодной воды (до 50 мг/л) и цвет­ности (до 50 градусов платинокобальтовой шкалы), а также весьма существенная тру­доемкость процесса регенерации загрузки ограничивают широкое применение таких фильтров на практике. Исключить эти недостатки позволили разработанные под руко­водством д.т.н. B.C. Оводова в Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте (НИМИ) автоматизированные медленные фильтры, в которых регенерация загрузки осуществляется путем смыва поверхностных загрязнений горизонтальным потоком промывной воды. Дальнейшим шагом интенсификации процесса безреагентного освет­ления воды для питьевых целей стала разработка и внедрение в практику ЮЖГипровод- хозом и ЮжНИИгиМом медленного фильтра с гидравлическим смывом и одновремен­ным механическим и гидравлическим разрыхлением верхнего 15-сантиметрового слоя загрузки. Такой технологический прием позволил повысить диапазон по допустимой исходной воде до 0,7-1,0 г/л при условии обеспечения качества питьевой воды.

Принцип действия такого фильтра следующий. Исходная вода насоса­ми 7, 2 подается в камеру 5, фильтруется через слой мелкозернистого песка 9 толщиной 4-0,5 м с диаметром зерен 0,15-0,50 мм, дренируется через пористобетонные плиты, собирается по трубе 72 в регулятор 7 и отводится в резервуар чистой воды Дно кор­пуса фильтра сооружается с наклоном к сборному коллектору чистой воды 72. Скорость фильтрования поддерживается с помощью регулятора 7.

Слой воды над песком в период фильтрования равен 1,2-1,5 м. При достижении по­терь напора на фильтре 1,5 м открывают задвижку на трубопроводе 77, одновременно включая в работу рыхлитель 4, который перемещается от камеры 5 к карману 10. При этом разрыхляются пленка и верхний 10-15-сантиметровый слой загрузки с помощью насадок, по которым под давлением подается вода.

Загрязнения выносятся промывным потоком по трубе 77 в канализацию. Задвижка­ми на трубопроводах 13 и 77 регулируют промывной поток, предварительно снизив уро­вень воды над загрузкой. Смыв загрязнений с поверхности фильтра осуществляется в течение 15-20 мин. После окончания регенерации закрывают задвижку на трубопрово­де 77 и отключают рыхлитель. Корпус фильтра заполняют водой до расчетного горизон­та, открывают задвижку на трубопроводе отвода фильтрата 12 и после созревания за­грузки - на трубопроводе, отводящем воду в РЧВ.

Количество загрязнений , задержанных в фильтре, определяют по формуле

Г=M_c(v₀t₀f_ф+v_nt_nf_n)/f_ф

где v₀, v_n- соответственно скорость фильтрования и периоды осветленного созревания и полезной работы фильтрата (v =0,1-0,3 м/ч); t₀, t_n- соответственно периоды созрева­ния и осветления воды в r ; М_с- мутность сырой воды, г/м³; f_ф - площадь фильтра, м².

Медленный фильтр с механическим рыхлителем и системой горизонтального смыва загрязнений горизонтальным потоком воды

1- насос для подачи воды на очистку; 2 - насос для подачи промывной воды; 3 - лебедка; 4 - рыхлитель загрузки; 5 - камера сырой воды; 6 - пьезометр; 7 - регулятор скорости фильтро­вания; 8 - резервуар чистой воды; 9 - загрузка из мелкозернистого песка; 10 - карман чистой во­ды; 11 - трубопровод отвода промывной воды и загрязнений; 12 - отвод фильтрата; 13 - подача воды на промывку

Удельные потери напора в пленке, образующейся на поверхности загрузки (н/м²), определяют из выражения

ΔP=φμM_cv²t/3600

μ-коэффициент вязкости; φ - удельное сопротивление грязевой пленки.

На объектах сельхозводоснабжения Ставропольского края успешно применялся метод регенерации медленных фильтров с помощью рыхлителей, которые одновремен­но с механическим рыхлением поверхностного слоя осуществляют его промывку водой, подающейся по напорным шлангам, намотанным на барабан через отверстия в насадках самого рыхлителя.

Как показал опыт Ипатовского, Ставропольского и других водопроводов, такой ме­тод очистки позволяет уменьшить количество воды на регенерацию и снизить эксплуа­тационные затраты при одновременном повышении грязевых нагрузок на фильтры по взвешенным веществам.

С целью дальнейшего снижения стоимости строительства очистных сооружений в Ставропольском крае инженерами Л.Н. Макаренко и В.М. Костюковичем были предло­жены открытые цилиндрические медленные фильтры из сборных железобетонных бло­ков и монолитного железобетонного днища диаметром до 12 м. Промывка загрузки в них осуществляется с помощью центрального стояка с вертлюгом, обеспечивающим вращение трубопроводов гидравлического рыхлителя с промывным лотком вокруг сто­яка. Вода на промывку подается через центральный стояк по трубе с трубчатыми насо­сами, что позволяет производить регенерацию песка в закрытом пространстве лотка по­до льдом и слоем воды. Промывная вода с отмытыми загрязнениями отводится самоте­ком в канализацию.