ПЕСОЧНЫЙ ФИЛЬТР

Предлагается полезная модель песочного фильтра, представляющая собой устройство биологической очистки сточных вод посредством третичного очищения, которое выполняет функцию по предотвращению распространения загрязнений на выходе очистной установки, тем самым повышая качество очищенной воды.
3
3
2
В зависимости от величины очистной установки, объема предполагаемого потока, проходящего через очистительную установку, а так же от требований к степени фильтрации, используются различные очистительные устройства. Известны три различные системы фильтрации: песочная, гравитационная и система напорного фильтра, а также система текстильной фильтрации, в которой используются барабанные фильтры и мембранная фильтрация. Самой дорогой и качественной является мембранная фильтрация, которая подходит для всех размеров очистных установок, такая фильтрация обеспечивает задержание практически всех нерастворенных веществ, в том числе и бактерий. Данный способ является наиболее дорогостоящим и не всегда подходит для очистки сточных вод. Текстильная фильтрация, исходя из размеров машинного устройства, выгодна для очистительных станций мощностью более 100 м/день. Напорно-песочная фильтрация может быть использована для различных очистительных установок, отличающихся по объему и типу эффективности фильтра. Для малых объемов, с мощностью примерно 3 м/ч и выше, используються стандартные бассейные устройства фильтрации. Несмотря на то, что первоначальная стоимость является низкой, сама установка и ее монтаж представляют собой сложный процесс, в основе которого используется дорогой накопительный резервуар; также такие фильтры нуждаются в регулярном обслуживании. Существуют гравитационно-песочные фильтры природного или водопроводного типа. Простота природных фильтров позволяет использовать их в работе очистных установок малого объема. Недостатком таких фильтров является то, что они занимают большой объем пространства, так как на одного пользователя необходима поверхность примерно 5 м. Другими недостатками являются высокая стоимость и тот факт, что восстановление обратным очищением, при загрязнении отходами, невозможно. Гравитационно-водопроводные песочные фильтры включают в себя емкость с водой и проницаемый разделитель, на котором лежит слой, преимущественно калиброванного, песка; как правило, зернистость такого песка составляет 1-3 мм. Вода попадает на поверхность песка, который постоянно находится под слоем воды. Вода проникает через слой песка, посредством этого происходит процес фильтрации. Фильтр нуждается в очистке, которую производят или периодично, или в случае индикации снижения скорости потока. Очистка заключается в том, что в пространство разделителя поступает сжатый воздух и вода. Накопленный ил в слое песка, таким образом, освобождается и попадает в воду, находящуюся над слоем песка, после чего вместе с этой водой ил и выводится из установки. Гравитационно-песочный фильтр, который для своей работы использует электрический вентиль (клапан), манометр, датчики уровня, блок управления и т.д., для очистки сточных вод в малых очистительных системах практически не используется, ввиду сложности управления таким фильтром.
К подобным устройствам относятся, например, следующие технические решения:
WO 2009065023, Мультифункциональная система фильтрации и очистки воды, Квинбей, Червинко, Сиим;
WO 2005120689, Устройство и способ сепарации эмульгированной воды от углеводородов, Йю, Чен, Монтфорт;
ЕР 0343980 - Способ и устройство очистки в гранулированной среде, Жаке;
WO 0189669 - Устройство фильтрации кросс-потоком, Чен.
В качестве ближайшего аналога принято WO 2009065023.
Общий принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. Конструкция устройства, помимо прочего, содержит фильтрующий элемент: гравитационно-песочный фильтр, в котором фильтрующий элемент установлен на разделителе, под который пускается сжатый воздух. Он проникает через отверстия разделителя, к фильтрующему элементу и направляется к поверхности, высвобождая при этом осадки в слой воды над фильтрующим элементом, который впоследствии, вместе с водой, выкачивается. Основная идея работы такого устройства состоит в том, что сжатый воздух, подведенный под разделитель, выталкивает отфильтрованную воду из емкости под разделителем в резервуар отфильтрованной воды, притом объем поступающего сжатого воздуха за единицу времени, выше, чем объем вытекающей воды, вытолкнутой в резервуар отфильтрованной воды. Время, необходимое для начального разрушения ила в фильтрующем элементе, и последующего перепада давления под разделителем, должно быть меньше, чем время, необходимое для того, чтобы из емкости под разделителем было высвобождено такое количество воды, которое достаточно для того, чтобы это привело к попаданию воздуха в резервуар с отфильтрованной водой, что в свою очередь приведет к утечке воздуха из резервуара с отфильтрованной водой. Длительность периода, необходимого для выталкивания всего объема отфильтрованной воды, из емкости под разделителем, больше, чем период, за который уровень воды в резервуаре отфильтрованной воды поднимется на уровень более высокий, чем текущий уровень воды над фильтрующим элементом в емкости фильтра. Объем пространства, занимаемого отфильтрованной водой под резервуаром, по меньшей мере, соответствует объему емкости отфильтрованной воды, между уровнями минимального значения уровня и впускного отверстия 1 до емкости песочного фильтра, а преимущественно такой же большой либо больше, чем весь резервуар отфильтрованной воды. Емкость отфильтрованной воды сверху закрыта крышкой.
Фильтрующее устройство представляет собой корпус фильтра с разделителем, проницаемым для воды, фильтрующий элемент, установленный на разделителе, объем для отфильтрованной воды под разделителем, сливной трубкой, ведущей в емкость отфильтрованной воды, насос для отфильтрованной воды и емкость мутной воды, насос для мутной воды и устройство подачи сжатого воздуха, подаваемого в фильтрованную воду. Сточная трубка преимущественно имеет входное отверстие у дна емкости фильтра и слив в емкости отфильтрованной воды на уровне минимального значения уровня воды в емкости фильтра. Входное отверстие мутной воды в емкость мутной воды размещен над поверхностью емкости фильтра и ниже минимального значения уровня воды в емкости песочного фильтра. Площадь поперечного сечения сливной трубки рассчитана для потока, большего по объему, чем рассчитанный поток фильтрующего устройства и для меньшего по объему, чем поток поступающего сжатого газа (воздуха). Отфильтрованные и мутные воды выкачиваются воздушными насосами.
Техническим результатом полезной модели является простота конструкции, отсутствие необходимости в электрических или механических запорных клапанах, в результате чего достигается высокая надежность при очистке фильтрующей емкости при сравнительно низкой стоимости. Устройство биологической очистки сточных вод третичного очищения можно применять и в самых маленьких очистительных установках, предназначенных для использования в домах, где до сегодняшнего дня было возможно применение только природно-песочных фильтров либо дорогих и сложных в эксплуатации мембранных фильтров. Использование такого устройства позволит экономически выгодно очищать сточные воды при сохранении приемлемого уровня качества очистки, необходимого для широкого применения данного устройства. Еще одним техническим результатом является увеличение срока службы устройства за счет использования в качестве фильтрата недорого материала - песка.
Технический результат достигается за счет выполнения песочного фильтра из следующих элементов: корпуса фильтра с разделителем, проницаемым для воды, фильтрующего элемента, установленного на разделитель, сточной трубки, ведущей из объема под разделителем в резервуар отфильтрованной воды, насоса отфильтрованной воды и емкости мутной воды, насоса для мутной воды и устройства подачи сжатого воздуха, направленного под разделитель, при этом сточная трубка имеет входное отверстие у дна емкости песочного фильтра и выход в резервуар отфильтрованной воды на уровне значения минимального уровня, причем отверстие входа, ведущее мутные воды в емкость мутной воды расположено над поверхностью фильтрующего элемента и ниже минимального значения уровня воды в емкости песочного фильтра, при этом сточная трубка имеет большую пропускную способность, чем рассчитанный поток фильтрующего элемента и меньший поток, чем поток подачи 15 сжатого воздуха.
На фигуре 1 изображен процесс фильтрации предварительно очищенных сточных вод, на фигуре 2 - очистка гравитационно-проточного песочного фильтра.
Предварительно очищенные воды поступают посредством входного отверстия 1 в корпус 3 песочного фильтра до текущего значения уровня 2 воды. Значение уровня воды 2 в процессе фильтрации изменяется в зависимости от величины входного отверстия в емкость 3 песочного фильтра и от степени загрязнения песка фильтрующего элемента 7, от уровня входного отверстия 1, до минимального фильтруемого уровня 4, который устанавливается уровнем впадения 5 стоковой трубки 6 отфильтрованной воды в резервуар 12 отфильтрованной воды. Отфильтрованная вода просачивается через фильтрующий элемент 7, который преимущественно состоит из гидротехнического песка с зернистостью 1-4 мм., через пропускающий разделитель 8 в емкость 9 отфильтрованной воды, которая ограничена дном 10 емкостью 3 песчаного фильтра и разделителем 8, в то время как ил остается на верхнем слое фильтрующего элемента 7. Из емкости 9 отфильтрованной воды вода выталкивается гидростатическим давлением, созданным из-за разницы уровней 2 и 4 в стоковую трубку 6. Сточная трубка 6 имеет входное отверстие 11, размещенное вблизи дна 10, емкости 3 песочного фильтра, так чтобы объем емкости 9 отфильтрованной воды над входным отверстием 11 был как можно большим. Отфильтрованная вода вытекает из емкости 9 отфильтрованной воды посредством сливной трубки 6 в резервуар 12 отфильтрованной воды. Уровень 14 в резервуаре 12 отфильтрованной воды, в зависимости от изменяющейся гидравлики песочного фильтра, изменяется в пределах от минимального значения уровня фильтрации 4, до текущего значения уровня воды 2 в емкости 3 песочного фильтра. В процессе фильтрации в фильтрующем элементе 7 накапливается ил и, тем самым, снижает его пропускную способность. Увеличивается и разница уровней воды между текущим значением уровня воды 2 над фильтрующим элементом 7 и уровнем 14 в резервуаре 12 отфильтрованной воды. Поэтому впоследствии необходимо провести очистку фильтрующего элемента 7.
Из-за того, что в установках очистки сточных вод скапливается сжатый воздух, осуществляется возвратная очистка фильтрующего элемента 7 при помощи сжатого воздуха, который подается в емкость 9 отфильтрованной воды под разделителем 8. В начале обратного очищения, когда фильтрующий элемент 7 забит илом, необходимо повысить поступление сжатого воздуха под разделитель 8, для того чтобы протолкнуть менее проницаемые слои песка и накопившегося ила.
Чтобы в емкости 9 под разделителем 8 могло возникнуть и сохраниться на необходимый период достаточное давление, необходимое для равномерного проникания сжатого воздуха по всей области перфорированного разделителя 8 в слой фильтрующего элемента 7, необходимо предотвратить утечку воздуха через сточную трубку 6. Это достигается тем, что отфильтрованная вода втекает в стоковую трубку 6 у дна емкости 9 отфильтрованной воды, а сжатый воздух, наоборот, подается прямо под разделитель 8, где впоследствии создается воздушная пленка, которая постепенно выталкивает отфильтрованную воду из емкости 9 отфильтрованной воды в сточную трубку 6. Пропускная способность сточной трубки 6 ограничена калиброванным отверстием 24 так, чтобы освободить фильтрующий элемент 7, с накопленным илом быстрей, чем сжатый воздух вытолкнет сквозь сточную трубку 6 весь объем воды из емкости 9 отфильтрованной воды. Пропускную способность сточной трубки 6 можно отрегулировать установкой регулирующего крана 22 (не показан). После того как освободится накопленный ил, давление в емкости 9 отфильтрованной воды снизится и весь сжатый воздух попадает через разделитель 8 в фильтрующий элемент 7, а слив воды из емкости 9 отфильтрованной воды в резервуар 12 отфильтрованной воды останавливается. В случае, если сопротивление накопленного ила в фильтрующем элементе 7 будет настолько большим, что это приведет к выталкиванию всей воды, содержавшейся в емкости 9 отфильтрованной воды в резервуар 12 отфильтрованной воды, будет необходимо чтобы весь объем воды был достаточным для подъема уровня воды в резервуаре 12 отфильтрованной воды над значением уровня воды 2 в корпусе 3 песчаного фильтра. Это означает, что объем емкости 9 отфильтрованной воды минимально должен быть настолько вместительным, чтобы соответствовать объему резервуаре 12 отфильтрованной воды между уровнем минимального значения уровня 4 и входного отверстия 1 в емкость 3 песочного фильтра и преимущественно равным по величине либо большим, чем объем резервуара 12 отфильтрованной воды. Таким образом, гидростатическое давление водяного столба в резервуаре 12 отфильтрованной воды, предотвращает утечку воды, а впоследствии и сжатого воздуха, из емкости 9 отфильтрованной воды посредством сточной трубки 6, и в случае выталкивания всего объема воды из емкости 9 отфильтрованной воды. Следовательно, чтобы процесс продувания фильтрующего элемента 7 не был приостановлен, и чтобы не допустить ослабления песчинок 7 быстрее, чем воздушный слой 16 попадет в сливную трубку 6, необходимо, чтобы отфильтрованная вода, выталкиваемая из емкости 9 в резервуар 12 отфильтрованной воды достигла безопасного уровня 23, который должен быть в процессе и в конце очистки всегда выше, чем актуальное (максимальное) значение уровня воды 2 в емкости 3 песочного фильтра. Закрытие верхней части резервуара 12 отфильтрованной воды крышкой 17 дает дополнительное время для пробивания мутного фильтрованного элемента 7. В закрытом положении верхней части емкости 12 происходит утечка сжатого воздуха через трубку воздушного насоса 13 отфильтрованной воды, в связи с этим процесс очищения от ила продолжается практически вплоть до выталкивания всего объема отфильтрованной воды из резервуара 12 посредством воздушного насоса 13 и до наполнения всей резервуара 12 отфильтрованной воды воздухом.
Перед началом процесса очистки от ила фильтрующего элемента 7 приостанавливается процесс откачивания отфильтрованной воды насосом 13 отфильтрованной воды. Впускной механизм 15 сжатого воздуха пускает сжатый воздух в емкость 9 отфильтрованной воды под разделитель 8, где воздух скапливается в непрерывный воздушный слой 16, который покрывает всю площадь под разделителем 8 и отверстием либо специальными форсунками разделителя 8 пузыри воздуха поступают вверх фильтрующего элемента 7. Этим достигается перемещение частичек песка и освобождение ила, который накапливается на поверхности воды над поверхностью 18 фильтрующего элемента 7. Мутная вода вытекает через сливное отверстие 19, которое расположено на уровне между поверхностью 18 фильтрующего элемента 7 и минимальным значением уровня фильтрации 4, в емкость 20 мутной воды, в которой расположен насос 21 мутной воды. Мутная вода перекачивается обратно ко входному отверстию очистной установки. Насос 13 отфильтрованной воды и насос 21 мутной воды, преимущественно являются воздушными насосами.