Установки объемного безреагентного фильтрования воды через зернистую среду

Производительность станций водоочистки для небольших населенных сельских пунк­тов и предприятий агропромышленного комплекса в большинстве случаев не превышает 250-500 м³/сут. В таких условиях конструкции очистных сооружений должны соответст­вовать требованиям индустриального метода их изготовления, монтажа и эксплуатации.

Начиная с 1965 года рядом научно-исследовательских и учебных заведений страны был разработан, изучен и внедрен в производство технологический процесс осветления воды, основанный на скором безреагентном фильтровании природных вод через зерни­стую неоднородную загрузку с предварительной очисткой (или без нее) на гидроцикло­нах, акустических и крупнозернистых кварцевых фильтрах.

Суть этого метода состоит в создании необходимых условий, при которых в про­цессе фильтрования воды через мелкозернистую кварцевую, керамзитовую (или из дру­гих материалов) загрузку силы адгезии (прилипания), способствующие задержанию тонкодисперсных и некоторых коллоидных частиц взвеси в толще загрузки, превышали бы силы гидродинамического отрыва их и вынос в фильтрат. При скором безреагентном осветлении воды физико-химический состав частиц взвеси, особенно их агрегативная и кинетическая устойчивость, а также поверхностные свойства зерен фильтрующей за­грузки имеют значительно большее значение, чем при реагентном скором фильтровании поверхности зерен. Достигают повышения адгезионных сил на границе раздела фаз в системе «поверхность загрузки-электролит-поверхность задерживаемых частиц взве­си» путем насыщения поверхности зерен фильтрующего материала молекулярными группами химических элементов, имеющих знак заряда, противоположный знаку заря­да частиц взвеси в очищаемых водах. По данным Н.В. Оводовой, на фильтрах с моди­фицированной поверхностью достигается скорость фильтрования 5-6 м/ч при удовле­творительной степени очистки. Сотрудниками НИИКОВ изучалась возможность обра­ботки поверхности зерен фильтрующего материала катионным полиэлектролитом и ее влияние на эффективность очистки мутных вод. Как показали исследования, повторное использование такой загрузки без дополнительной подзарядки модифицирующим рас­твором малоэффективно. Перспективным для этого направления представляется ис­пользование искусственных фильтрующих полимерных материалов с адгезионной и ио­нообменной активностью, приобретаемой материалами в процессе их изготовления в химических реакторах (так называемая внутренняя модификация).

Технологические процессы полускорого безреагентного фильтрования природных вод через зернистые загрузки получают все большее распространение в сельскохозяйст­венном водоснабжении ввиду их индустриальности и экономичности.

Установка для безреагентной очистки воды на самопромывающемся двухслойном фильтре конструкции Н.В. Николаева

1-3, 8, 9 - подача исходной воды и зарядное ус­тройство; 4-7 - резервуары промывной от­фильтрованной воды и трубопроводы их об­вязки; 10-12, 15-16 - элементы фильтра; 13 - кварцевый песок; 14 - керамзит

На рисунке показана схема самопромывающегося фильтра для безреагентного осветления, разработанного к.т.н. Н.В. Ни­колаевым. Это цилиндрической формы фильтры диаметром до 1,0-3,0 м и высотой до 4,0 м с совмещенными или вынесенны­ми отдельно резервуарами чистой воды.Они могут быть открытыми и напорными. Открытые фильтры имеют распределитель­ную систему малого сопротивления и обо­рудованы напорно-всасывающей системой сбора и отвода промывной воды. Напорные фильтры, круглые в плане, имеют распреде­лительную систему малого сопротивления и оборудованы напорно-всасывающей и сифонно-всасывающей системой сбора отво­да промывной воды.

Принцип их действия следующий: при подаче исходной воды насосами I подъема по трубопроводу 1 вода поступает в корпус камеры 16, фильтруется через за­грузки 14, 13, собирается в под фильтровой камере 10, из которой по трубе 7 отводится сначала в резервуар промывной воды 5, а затем в резервуар чистой воды 6.

С ростом потерь напора в загрузке уро­вень воды в трубе 2 возрастает, обеспечивая постоянную скорость фильтрования. До­стигнув перегиба сифона, вода начинает пе­реливаться в его нисходящую ветвь. Когда она поднимается на высоту 2,5-3,0 м в нис­ходящей ветви, включается зарядное устройство 8, в сифоне образуется вакуум, приво­дя к обратной промывке фильтра водой из резервуара 5. При опорожнении резервуара промывной воды до уровня расположения конца трубки 3 происходит срыв вакуума в сифоне 2, промывка заканчивается и повторяется режим полезного фильтрования.

Фильтры такого типа рекомендуются для осветления воды мутностью до 70 мг/л и цветностью до 40 градусов платинокобальтовой шкалы. При большей мутности в со­став станции включают префильтр. Напор воды перед предварительным фильтром дол­жен быть не менее 0,25-0,3 МПа. Для загрузки предварительных фильтров используют­ся керамзит плотностью -600 кг/м³ с диаметром зерен 0,8-1,2 мм и толщиной слоя 1,0 м и кварцевый песок с диаметром зерен 0,5-0,6 мм и толщиной слоя 0,5 м. В филь­трах тонкой очистки используется двух- или трехслойная загрузка из дробленого керам­
зита (Н= 1,3 м; d_cp= 0,5-0,6 мм) и кварцевого песка (Н= 0,7 м; d_cp= 0,25-0,4 мм). Оп­тимальная производительность станций - до 300-500 м³/сут.

Применение в качестве загрузки префильтров и фильтров тонкой очистки дробле­ной горелой породы с различным гранулометрическим составом, исследованной д.т.н. А.М. Фоминых с сотрудниками, позволяет увеличить грязеемкость фильтров и продол­жительность фильтроцикла при одновременном увеличении грязевой загрузки.

По рекомендации проф. М.Г. Журбы Гипроводхозом СССР был разработан проект станции безреагентной очистки поверхностных вод с мутностью до 500 мг/л на основе применения гидроавтоматических фильтров типа ФПЗ-2.

Фильтроблок с двухъярусной плавающей загрузкой ФПЗ-2 и блоком тонкослойного отстаивания

1 - подача исходной воды; 2 - дренажные удерживающие сетки; 3 - распредустройство; 4 - уплотненный корпус фильтроблока; 5 - плавающая загрузка; 6 - полочные модули отстойника; 7 - трубопроводы отвода фильтрата промывной воды 8 -мелкогранульная загрузка.

Уточненные авторами фильтроблоки могут компоноваться в различных технологи­ческих схемах станций очистки как друг с другом, так и сооружениями тонкослойного отстаивания. Фильтрование может осуществляться и по радиальному движению очища­емого потока через загрузки с плотностью больше и меньше плотности воды. Так, на­пример, в состав фильтроблоков ФБ-3 и ФБ-4 кроме радиального фильтра второй ступе­ни включены предварительный пенополистирольный фильтр и тонкослойный отстой­ник кассетного типа, предназначенный для очистки воды с мутностью до 400 мг/л. В таблице приведены основные технологические характеристики таких установок.

Технологические характеристики фильтроблоков ФБ

№ п/п	Параметры установок	Значения параметров
		ФБ-3-100	ФБ-4-200	ФБ-4-400
1	Полезная производительность, м3/сут	100	200	400
2	Мутность исходной воды, мг/л, не более	600	400	400
3	Мутность фильтрата, мг/л, не более	1,5	1,5	1,5
4	Толщина слоя (м) и диаметр зерен загрузки префильтра (мм)	0,8-1-3	-	-
5	Толщина слоя (м) и диаметр зерен загрузки (мм) фильтра доочистки	0,5/0,3-0,8	0,5/0,3-0,8	0,5/0,3-0,8
6	Напор на входе в установку, МПа	0,25	0,35	0,35
7	Потери напора в загрузке, МПа	0,015	0,015	0,015
8	Средняя скорость фильтрова­ния на фильтре доочистки, м/ч	2	2	2
9	Вес установки, т	1,2	1,75	4,5
10	Ориентировочная стоимость установки, тыс. руб	75	125	225

В Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте были разработаны напор­ные фильтры с неоднородной кварцевой мелко- и среднезернистой загрузкой и с восхо­дящим фильтрационным потоком - БНФ-НИМИ.

При толщине загрузки 1,6 м с эквивалентным диаметром зерен 0,25-0,4 мм и коэф­фициентом неоднородности 3,0 требуемый эффект очистки на таких может быть до­стигнут при мутности исходной воды до 1-2 г/л и скоростях фильтрования до 2-1,5 м/ч. Удельная грязеемкость загрузки в этом случае достигает 10-12 кг/м².

При необходимости увеличения производительности до 1000 м³/сут. станцию обо­рудуют батареей таких фильтров.

Опыт эксплуатации девяти фильтров БНФ-НИМИ-2 с диаметром каждого 2,5 м, ра­ботающих параллельно и обеспечивающих суточную производительность 3,2 тыс. м³/сут, в Саратовской области показал, что одновременно с осветлением они могут сни­жать на 90% содержание железа в исходной воде, на 15-20% - перманганатную окисля­емость.

При проектировании фильтров с зернистой загрузкой, работающих в режиме объ­емного фильтрования, их расчет производят аналогично расчету скорых фильтров с уче­том особенностей конструкции и сборно-распределительных систем.

Общую площадь фильтрования (м²) определяют по формуле

∑F_ф=Q_пл/T_cv_н-n_прq_пр-n_прt_прv_пр

где Q_пл -полезная производительность станции, м³/сут, Т_с - продолжительность работы станции в сутки, ч; v_н- расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме, м/ч; n_пр - число промывок одного фильтра в сутки; t_np- время простоя фильтра, связанного с промывкой, ч; q_np- интен­сивность промывки фильтра, л/с*м².

Количество фильтров (установок) определяют исходя из принятой пло­щади фильтрования одной установки:

N_ф=∑F/f

Проектирование других элемен­тов фильтровальных установок ведут с учетом рекомендаций разработчиков.