ДРЕНАЖНО-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА БЕЗНАПОРНЫХ ФИЛЬТРОВ
FREE-FLOW FILTERS DRAIN DISTRIBUTION SYSTEM

Изобретение относится к устройствам для очистки воды и может быть широко использовано для дренажных систем в фильтрующих установках водоподготовки и доочистки сточных вод и для подготовки питьевой воды. Известен «Дренажный фильтр», содержащий каркас в виде перфорированной трубы и пористую гильзу из волокнистого материала, охватывающую наружную поверхность перфорированной трубы, при этом он снабжен размещенными на обеих сторонах каркаса муфтами, пористая гильза выполнена пневмоэкструзией и изготовлена из многослойного волокнистого материала с пористостью 80-400 мкм, отверстия перфорированной трубы выполнены коническими, расположены по диаметру каркаса со смещением их в соседних рядах, равным половине шага между отверстиями, при этом меньший диаметр конических отверстий составляет 0,04-0,1 внутреннего диаметра трубы. Патент РФ на изобр-ие №2169035, МПК: B01D 27/00, д. публ. 2000.12.20. Известна «Дренажная плита фильтровального элемента», которая содержит одну секцию с продольными ребрами. В продольном ребре, которое выполнено в центральной части секции, выполнено продольное отверстие, через которое проходит стержень, на который при необходимости присоединяют дополнительные секции. Кроме того, секция дополнительно содержит поперечные ребра, в которых выполнены отверстия и конечный элемент, который имеет пирамидальную форму и соединен с секцией с помощью стержня.
Патент РФ на П.М. №103742, МПК: B01D 29/11, д. публ. 2011.04.27. Наиболее близким техническим решением к предложенному в качестве изобретения технического решения является «Фильтр для очистки воды с водо-воздушной промывкой», включающий корпус, в котором размещены: фильтрующая мелкозернистая загрузка, поддерживающий слой гравия, а также промывное устройство, расположенное ниже или внутри поддерживающего слоя, при этом промывное устройство выполнено в виде набора пористых труб, перекрывающего площадь под мелкозернистой загрузкой, а внутри каждой пористой трубы набора расположена сплошная полутруба, обращенная выпуклой поверхностью вверх и имеющая торцевое соединение с коллектором, выполненным для подачи в нее воды и воздуха.
К техническому результату, достигаемому с помощью предлагаемого устройства, относятся повышение эффективности процесса фильтрации через безнапорные фильтры за счет конструкции дренажно-распределительной системы с оптимальным подбором формы, взаиморасположения и размеров элементов системы.
1
1
2
3
1
Технический результат достигается путем того, что дренажно-распределительная система безнапорных фильтров выполнена в виде фильтрующего элемента, обращенного выпуклой поверхностью вверх и снабженного коллектором, служащим для подачи в него воды и воздуха. При этом фильтрующий элемент выполнен сборным из фигурных элементов с образованием рабочих щелей между ними. Каждый фигурный элемент выполнен с вертикальным сечением в виде трапеции, направленной вершиной вниз. По своду каркаса с внутренней стороны жестко закреплены последовательно десять продольно-ориентированных камер, снабженные дренажными отверстиями для подачи воды и воздуха. Причем дренажные отверстия с диаметром d 6 мм, выполненные в двух парах камер, симметрично расположенных с обеих сторон от опорной плиты фильтрующего элемента, служат для подачи воды. При этом они расположены по длине элементов с возрастающим 1:2 шагом между ними и снижением их количества 2:1 по степени удаленности пары элементов от опорной плиты фильтрующего элемента. В свою очередь дренажные отверстия с диаметром 3 мм, выполненные в остальных парах камер, обеспечивают подачу воздуха. Эти дренажные отверстия также расположены по длине камер, а их количество и шаг между ними изменяются по степени удаленности пар этих камер от верхней точки фильтрующего элемента в соотношениях, равных: 1:3:1,5 и 3:1:2 соответственно. Кроме того, система снабжена вертикально расположенной трубчатой приемо-смесительной камерой, которая выполнена проходящей через опорную плиту каркаса. В свою очередь трубчатая приемо-смесительная камера снабжена вертикально ориентированными симметрично расположенными с обеих сторон по ее диаметру щелями, длиной А и шириной В и с соотношением А:В, равным 50:1. При этом площадь сечения S трубчатой приемо-смесительной камеры составляет 2/3 площади сечения фильтрующего элемента S, а суммарная площадь S продольных щелей и отверстий составляет 1/10 от площади сечения трубчатой приемо-смесительной камеры S, где:
А - длина щели трубчатой приемо-смесительной камеры;
В - ширина щели трубчатой приемо-смесительной камеры;
1
S - площадь сечения трубчатой приемо-смесительной камеры;
2
S - площадь сечения фильтрующего элемента;
3
3
S - суммарная площадь S продольных щелей и отверстий;
1
2
d и d - диаметры отверстий камер.
Дренажно-распределительная система безнапорных фильтров поясняется чертежами-схемами на фиг. 1 и 2.
Фиг. 1 - дренажно-распределительная система безнапорных фильтров - схема общего вида;
Фиг 2 - дренажно-распределительная система безнапорных фильтров - схема вида спереди фильтрующего элемента.
Дренажно-распределительная система безнапорных фильтров согласно фиг. 1 и 2 содержит каркас, выполненный в виде фильтрующего элемента 1, выполненного сборным с образованием рабочих щелей между ними из продольных фигурных элементов 2, каждый из которых выполнен с вертикальным сечением в виде трапеции, направленной вершиной вниз. Ширина рабочей части щелей составляет 0,2-0,5 мм, что является оптимальной величиной для основной части фильтров, использующихся в хоз.-питьевом водоснабжении и водоотведении. Форма щелей в виде сужающейся насадки увеличивает площадь фильтрования элемента и обеспечивает нормативные гидравлические характеристики. При промывке такая форма щелей позволяет распределить поток промывной воды равномерно по всей рабочей площади фильтрующей загрузки. По своду фильтрующего элемента 1 с внутренней стороны жестко закреплены последовательно десять продольно ориентированных камер 3 в виде швеллеров из нержавеющей стали типа опорного свода с равномерно распределенными дренажными отверстиями для воды 4 и воздуха 5 согласно расчетам. Эти камеры обеспечивают жесткость конструкции и постоянный размер ширины щелей в 0,2 мм фильтрующего элемента 1. В режиме водовоздушной промывки отверстия в камерах 3а, 3б, 3в и 3г служат для подачи воды, а отверстия в камерах 3д, 3е, 3ж, 3к, 3л и 3н служат для подачи воздуха.
Для соблюдения скоростных характеристик количество дренажных отверстий в камерах выдерживаются в следующих отношениях:
- в камерах 3а и 3г располагается по 20 дренажных отверстий диаметром 6 мм с шагом 50 мм;
- в камерах 3б и 3в располагается по 10 дренажных отверстий диаметром 6 мм с шагом 100 мм. При этом общее количество дренажных отверстий для подачи воды в четырех камерах равно 60.
Для равномерного распределения воздуха количество дренажных отверстий в камерах выдерживаются в следующих отношениях:
- в камерах 3д и 3н располагается по 3 дренажных отверстий диаметром 3 мм с шагом 340 мм;
- в камерах 3е и 3л располагается по 6 дренажных отверстий диаметром 3 мм с шагом 170 мм;
- в камерах 3ж и 3к располагается по 2 дренажных отверстий диаметром 3 мм с шагом 510 мм.
1
2
3
1
В основании фильтрующего элемента 1 расположена опорная плита 6, через которую проходит трубчатая приемо-смесительная камера 7 для подачи воды и воздуха. Опорная плита 6 фильтрующего элемента 1 из листовой нержавеющей стали крепится к днищу емкости анкерными болтами. Трубчатая приемо-смесительная камера 7 снабжена вертикально ориентированными симметрично расположенными с обеих сторон по ее диаметру щелями 8, с длиной А и шириной В и с соотношением А:В, равным 50:1. Площадь сечения трубчатой приемо-смесительной камеры S составляет 2/3 площади сечения полусферического фильтрующего элемента S. Суммарная площадь продольных щелей и отверстий S составляет 1/10 от площади сечения трубчатой приемо-смесительной камеры S. Опорная плита 6 из листовой нержавеющей стали предназначена и является основанием для монтажа фильтрующего элемента и соблюдения герметичности дренажно-распределительного коллектора. Трубчатая приемо-смесительная камера 7 из нержавеющей стали служит для приема очищенной воды при фильтровании и образования водовоздушной смеси при промывке фильтрующей загрузки. Смешивание воды и воздуха обеспечивается двумя продольными щелями 8, ширина которых 6 мм и длина 300 мм. Для удаления остатков воздуха из дренажно-распределительного коллектора после завершения этапа водовоздушной промывки под опорной плитой просверливаются два отверстия 9 диаметром 6 мм. К днищу емкости водоприемные оголовки крепятся при помощи анкерных болтов. Применяемые при изготовлении дренажно-распределительной системы «А» для водовоздушной промывки материалы разрешены Минздравом РФ для использования в хозяйственно-питьевом водоснабжении, а также для контактов с пищевыми продуктами.
Устройство работает следующим образом.
а) Фильтрование. Фильтрование является основным и самым продолжительным этапом процесса водоподготовки на водоочистительных сооружениях. Исходная вода поступает в фильтр и, проходя сквозь зернистую фильтрующую загрузку, очищается от дисперсных и коллоидных загрязнений. Прием очищенной воды осуществляется через водоприемные щели фильтрующего элемента 2 в продольные камеры 3.
Ссужающая форма щелей минимизирует возможность даже частичного биообрастания калиброванной водопропускной части за счет резкого увеличения скорости потока воды в ее зоне. В продольных камерах 3 фильтрованная вода равномерно распределяется по всему рабочему объему и через дренажные отверстия 4 поступает в специальную трубчатую приемо-смесительную камеру 7 водоприемного оголовка и далее в дренажно-распределительный коллектор и РЧВ. Определяющим фактором при этом является способность системы обеспечить скорость фильтрования в нормальном режиме 6-8 м/ч, а в форсированном 10-12 м/ч.
б) Барботаж воздухом. При подаче воздуха в систему происходит заполнение им верхней части коллектора с дальнейшим распределением его по всей длине коллектора. Далее воздух практически равномерно вытесняет воду по всей длине коллектора до выхода из дренажных отверстий 5 из верхних камер 3 и далее из продольных щелей 8 приемо-смесительной камеры 7. Основная расчетная рабочая зона воздушного потока находится в пределах продольных шелей 8 приемо-смесительной камеры 7. В случае непредвиденного увеличения подачи воздуха в систему вода может вытеснится до нижней части трубчатой приемо-смесительной камеры 7. Это обстоятельство предохраняет систему от отрицательных последствий резкого неконтролируемого увеличения скорости выхода воздуха из отверстий. Барботаж воздухом загрязненной фильтрующей загрузки осуществляется при уровне воды над загрузкой 0,5-1,0 м в течение 3-5 минут в зависимости от степени ее загрязнения. Воздушным потоком загрузка взвешивается в слое воды, приводя зерна в хаотичное движение. Интенсивное перемешивание и трение зерен фильтрующего материала между собой способствует отрыву загрязнений и выносу их в верхние слои загрузки.
2
2
в) Водовоздушная промывка. В режиме водовоздушной промывки важным обстоятельством является точный расчетный подбор насосного и воздуходувного оборудования по производительности и, что особенно важно, по равнозначному напору, который должен быть в пределах 10-15 м. Это необходимо для обеспечения эффективной совместной работы воды и воздуха в системе с целью соблюдения требуемой СНиП 2.04.02-84* интенсивности подачи воды на промывку 6-8 л/с·м и воздуха 15-20 л/с·м. Вода и воздух одновременно подаются в бетонный распределительный коллектор и далее в трубчатую приемо-смесительную камеру 7 снизу-вверх. При этом воздух будет занимать от 60% до 75% объема распределительного коллектора, что обеспечивает его скорость на входе в продольные щели приемо-смесительной камеры 7 в пределах 13-17 м/сек. При совместной подаче воды и воздуха зона разграничения проходит в расчетных пределах продольных щелей 8 трубчатой приемо-смесительной камеры 7. Далее водовоздушная смесь распределяется по всему внутреннему объему фильтрующего элемента 1. Через отверстия продольных камер 3 водовоздушная смесь поступает непосредственно к щелям и через них в нижнюю часть взвешенной фильтрующей загрузки. Водовоздушная смесь за счет подъемной силы водного потока и флотационных возможностей воздушных пузырьков выносит загрязнения из фильтрующей загрузки в верхний слой воды и далее в водосборные лотки для удаления их из фильтра.
2
г) Водяная промывка. Водяная промывка является завершающим этапом всего цикла регенерации фильтрующей загрузки и способствует удалению из фильтра остаточных загрязнений. Подача воды на промывку продолжает осуществляется как и при водовоздушном этапе, а подача воздуха полностью прекращается за счет закрытия запорной арматуры на подающем воздуховоде. Подаваемая вода на промывку распределяется в нижней части распределительного коллектора, вытесняя воздух через трубчатые приемо-смесительные камеры 7 в фильтрующие элементы 1, и далее поступает в нижний слой взвешенной фильтрующей загрузки. При этом из фильтра по водосборным лоткам удаляются незначительные остаточные загрязнения. Интенсивность подачи воды на промывку определяется расчетами в пределах 6-8 л/с·м и регулируется в ходе пуско-наладочных работ, которые необходимо проводить после завершения монтажных работ. При этом в ходе водяной промывки обеспечивается величина относительного расширения фильтрующей загрузки в пределах 25-40%.
Конструктивные особенности дренажно-распределительной системы «ЭТЕК» позволяют максимально соответствовать всему комплексу требований, предъявляемых к таким системам: высокая эффективность очистки; большая производительность; равномерное распределение воды по площади фильтра; незасоряемость щелей; низкая способность к биообрастанию; механическая прочность и химическая стойкость; экономичность.
Предлагаемая дренажно-распределительная система «ЭТЕК» относится к дренажным системам большого сопротивления и может рассчитываться для любых конкретных условий эксплуатации и строительных размеров фильтров с учетом требований СНиП.