ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ НАПОРНЫЙ ФИЛЬТР
DISCHARGE STRAINER

Изобретение относится к области водоподготовки и может быть использовано в энергетике, химической и других отраслях промышленности для очистки природных и сточных вод от взвешенных, коллоидных и органических примесей, соединений железа и марганца, а также для защиты мембранных элементов и ионообменных смол установок обратноосмотического и ионообменного фильтрования и продления срока их службы.
Известен напорный фильтр (ФП3-4Н) с плавающей зернистой пенополистирольной загрузкой и снабженный верхним и нижним распределительными устройствами. Трубопровод подачи очищаемой и промывной воды подключен к верхнему дренажному устройству. Трубопровод отвода очищенной воды подключен к среднему дренажному устройству через уловитель пенополистирола (см. Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды к СНиП 2.04.02-84 М.ЦИТП, 1989 г., с. 68).
Недостатком данного фильтра является его низкая производительность, поскольку очистку воды производят нисходящим потоком через плавающую загрузку. При увеличении нагрузки за счет повышения количества подаваемой на очистку воды зернистая пенополистирольная загрузка разрыхляется, что снижает эффективность очистки воды.
Известно устройство для очистки речной воды, которая проходит предварительную коагуляцию сульфатом алюминия. Устройство включает безнапорный осветлитель и напорный механический фильтр с двухслойной тяжелой загрузкой. Загрузка состоит из верхнего слоя гидроантрацита и нижнего слоя кварцевого песка (см. И.Л. Шорин и др. Новый взгляд на устаревшее оборудование предочистки ХВО. «Энергосбережение и водоподготовка», №5(49), 2007 г., с. 17).
Недостатком данного устройства является низкая надежность работы безнапорного осветлителя по поддержанию взвешенного шламового режима контактной среды, особенно при изменении его производительности.
Для упрощения и удешевления предварительной стадии очистки поверхностных вод вместо осветлителя с взвешенным слоем применяют контактную коагуляцию солями алюминия на механическом фильтре. Однако быстрая загрязненность двухслойной загрузки в этом случае будет приводить к уменьшению производительности устройства и увеличению расхода промывной воды.
Известно устройство для очистки жидкостей (патент РФ №2106897, кл. B01D 37/00; B01D 24/18, опубл. 20.03.1998 г.), содержащее корпус, разделенный центральным каналом на префильтр с плавающей загрузкой и фильтр с тяжелой загрузкой. В качестве плавающей фильтрующей загрузки используют пенополистирол (пенопласт), который задерживает хлопья примесей из очищаемой воды.
Недостатком этой установки являются низкая грязеемкость однослойной тяжелой загрузки, низкая производительность безнапорной системы фильтрования, сложная и ненадежная конструкция устройства по удержанию плавающей загрузки в затопленном состоянии префильтра, особенно фильтров большой площади, а также неравномерное распределение промывной воды по площади префильтра с плавающей загрузкой.
Наиболее близким техническим решением является установка для двухступенчатой очистки воды фильтрованием (патент РФ на полезную модель №75160, кл. B01D 24/18, C02F 1/28, опубл. 27.07.2008), содержащая два корпуса напорного фильтра, соединенные между собой трубопроводом через верхние распределительные устройства. Первый корпус фильтра заполнен плавающей зернистой загрузкой, нижнее распределительное устройство которого подключено к трубопроводу подачи очищаемой воды и отвода промывной воды. Второй корпус фильтра заполнен двухслойной тяжелой загрузкой, нижнее распределительное устройство которого соединено с трубопроводом отвода очищенной воды и подачи промывной воды. В процессе используется противоточная технология очистки, при которой подача очищаемой воды производится в нижнее распредустройство первого корпуса фильтра, фильтруется через слой плавающей зернистой загрузки, частично очищенная вода отводится через верхнее распредустройство и далее поступает во второй корпус через верхнее распределительное устройство, фильтруется через двухслойную тяжелую загрузку и очищенная вода отводится через нижнее распределительное устройство. По мере загрязнения фильтрующих загрузок производят их взрыхляющую промывку в противоположном (противоточном) направлении.
Недостатком конструкции является большая площадь помещения, необходимая для размещения двух корпусов напорного фильтра, а также увеличенные затраты на оборудование, строительно-монтажные и эксплуатационные работы.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение капитальных затрат за счет обеспечения компактности размещения оборудования, сокращения в два раза площади помещения, а также уменьшения строительно-монтажных и эксплуатационных затрат. При этом сохраняется эффективность очистки воды с использованием преимуществ противоточной технологии.
Для достижения указанных результатов напорный фильтр содержит вертикальный цилиндрический корпус со сферическими крышкой и днищем, верхнее и нижнее распределительные устройства с фильтрующими элементами, трубопровод с запорно-регулирующей арматурой для подачи очищаемой воды и отвода промывной воды, трубопровод с запорно-регулирующей арматурой для подачи промывной воды и отвода очищенной воды, подключенный к нижнему распределительному устройству, при этом корпус герметично разделен горизонтальной перегородкой на верхнюю и нижнюю камеры и снабжен центральной вертикальной трубой, соединенной верхним концом с верхним распределительным устройством и проходящей через горизонтальную перегородку в верхнюю часть нижней камеры, и двумя средними распределительными устройствами, снабженными фильтрующими элементами, одно среднее распределительное устройство расположено в основании верхней камеры и подключено к трубопроводу подачи очищаемой воды и отвода промывной воды, а другое среднее распределительное устройство размещено в верхней части нижней камеры и соединено с нижним концом центральной вертикальной трубы, причем слой плавающей гранулированной загрузки расположен в верхней камере, а слой тяжелой многослойной загрузки - в нижней камере.
Высоты слоев плавающей гранулированной загрузки и тяжелой многослойной загрузки составляют 50-80% от высот своих камер, для обеспечения расширения загрузок при обратной промывке водой.
В качестве фильтрующих элементов верхнего, нижнего и двух средних распределительных устройств используются известные щелевые распределительные трубы или щелевые колпачки.
Ширина щелей фильтрующих элементов распределительных устройств выбирается из условия отсутствия выноса фильтрующих загрузок и крупности загрязняющих веществ, присутствующих в очищаемой воде, а именно для верхнего распределительного устройства в диапазоне 0,5-1,5 мм, для среднего распределительного устройства верхней камеры в диапазоне 1-3 мм, для среднего распределительного устройства нижней камеры в диапазоне 1-5 мм и для нижнего распределительного устройства в диапазоне 0,2-1,0 мм.
Использование в одном корпусе фильтра предлагаемой конструкции двух ступеней очистки воды с преимуществами напорного фильтра и противоточной технологии очистки воды, позволяет сократить площадь помещения установки в два раза, снизить затраты на оборудование и строительно-монтажные работы без уменьшения производительности фильтра и снижения качества очищенной воды.
Известно сочетание в одном корпусе фильтра двух ступеней очистки воды с размещением на первой ступени плавающей загрузки, а на второй ступени - тяжелой фильтрующей загрузки (патент РФ №2256481, кл. B01D 24/16, B01D 24/46, опубл. 20.07.2005 г.). Однако известный напорный двухступенчатый фильтр не работает по системе противоточной технологии и требует дополнительных коллектора и трубопроводов для подачи и вывода промывной воды, что усложняет устройство и увеличивает расход промывной воды. Отсутствие распределительных устройств для подачи воды на фильтрующие поверхности не обеспечивает равномерную фильтрацию по всему объему загрузки, что снижает качество очистки воды.
На фигуре изображена схема предлагаемого двухступенчатого напорного фильтра.
Двухступенчатый напорный фильтр содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 со сферическими крышкой 2 и днищем 3, верхнее 4 и нижнее 5 распределительные устройства с фильтрующими элементами. Корпус 1 герметично разделен горизонтальной перегородкой 6 на верхнюю камеру 7 и нижнюю камеру 8. Верхняя камера 7 загружена плавающей гранулированной загрузкой 9 (размер гранул 2-8 мм), нижняя камера 8 загружена тяжелой многослойной загрузкой 10. Корпус 1 снабжен центральной вертикальной трубой 11, соединенной верхним концом с верхним распределительным устройством 4 и проходящей через горизонтальную перегородку 6 в верхнюю часть нижней камеры 8. В основании верхней камеры 7 расположено среднее распределительное устройство 12 с фильтрующими элементами, подключенное к трубопроводу 13 с запорно-регулирующей арматурой подачи очищаемой воды 14 и арматурой отвода промывной воды 15. В верхней части нижней камеры 8 размещено среднее распределительное устройство 16 с фильтрующими элементами, соединенное с нижним концом центральной вертикальной трубы 11. Тяжелая многослойная загрузка состоит из нижнего поддерживающего слоя гравия 17 (размер гранул 2-5 мм), среднего слоя кварцевого песка 18 (размер гранул 0,3-2 мм) и верхнего слоя гидроантрацита 19 (размер гранул 1-4 мм). Трубопровод 20 соединен с нижним распределительным устройством 5 с фильтрующими элементами и снабжен запорно-регулирующей арматурой отвода очищенной воды 21 и подачи промывной воды 22.
Высоты слоев плавающей гранулированной загрузки 9 и тяжелой многослойной загрузки 10 составляют 50-80% от высот своих камер для обеспечения расширения загрузок при обратной промывке водой.
В качестве фильтрующих элементов верхнего 4, нижнего 5 и средних 12 и 16 распределительных устройств используются известные щелевые распределительные трубы или щелевые колпачки. При этом ширина щелей фильтрующих элементов распределительных устройств выбирается из условия отсутствия выноса гранул фильтрующих загрузок и крупности загрязняющих веществ, присутствующих в очищаемой воде, а именно для верхнего распределительного устройства 4 в диапазоне 0,5-1,5 мм, для среднего распределительного устройства 12 в диапазоне 1-3 мм, для среднего распределительного устройства 16 в диапазоне 1-5 мм и для нижнего распределительного устройства 5 в диапазоне 0,2-1,0 мм.
Фильтр работает следующим образом.
Работа напорного фильтра предполагает два режима: очистка воды и промывка фильтрующей загрузки от загрязнений.
Для очистки воду подают через трубопровод 13 при открытой запорно-регулирующей арматуре 14 в среднее распределительное устройство 12 с фильтрующими элементами (ширина щелей в диапазоне 1-3 мм) верхней камеры 7. Далее вода равномерно распределяется по площади и фильтруется в направлении снизу вверх через слой плавающей загрузки 9. В качестве фильтрующей загрузки применяют инертный материал (размер гранул 2-8 мм), плотность зерен которого меньше плотности воды. Слой плавающей загрузки 9 задерживает грубодисперсные, взвешенные и коллоидные вещества из исходной воды. Частично очищенная вода поступает через верхнее распределительное устройство 4 с фильтрующими элементами (ширина щелей в диапазоне 0,5-1,5 мм) и центральную вертикальную трубу 11 в среднее распределительное устройство 16 с фильтрующими элементами (ширина щелей в диапазоне 1-5 мм) нижней камеры 8. Для тонкой очистки воды от мелкодисперсных загрязнений ее подают на многослойную тяжелую загрузку 10 и фильтруют сверху вниз через слой крупнозернистого гидроантрацита 19 (размер гранул 1-4 мм) и слой мелкозернистого кварцевого песка 18 (размер гранул 0,3-2,0 мм). Осветленную и очищенную воду через нижнее распределительное устройство 5 с фильтрующими элементами (ширина щелей в диапазоне 0,2-1,0 мм) нижней камеры 8 подают в трубопровод 20 при открытой запорно-регулирующей арматуре 21 и выводят потребителю.
При загрязнении фильтрующих материалов (контроль по перепаду давления) проводят их обратную промывку водой.
Отключают фильтр из режима очистки воды. Для этого закрывают запорно-регулирующую арматуру 14, 21 и прекращают подачу очищаемой воды и отвод очищенной воды. Затем открывают запорно-регулирующую арматуру 15, 22 и в трубопровод 20 подают промывную воду, которая через нижнее распределительное устройство 5 проходит снизу вверх через слой гравия 17, слой кварцевого песка 18 и слой гидроантрацита 19. Во время промывки слой кварцевого песка 18 и слой гидроантрацита 19 расширяются на 20-50% от высоты нижней камеры 8, обеспечивая эффективную очистку гранул кварцевого песка и гидроантрацита. Поддерживающий слой гравия 17 во время промывки не расширяется, а обеспечивает равномерность потока промывной воды. Далее промывная вода выводится из нижней камеры 8 через среднее распределительное устройство 16 нижней камеры 8 и направляется в верхнюю камеру 7 через центральную вертикальную трубу 11 и верхнее распределительное устройство 4. Поток в направлении сверху вниз промывает слой плавающей гранулированной загрузки 9. При этом во время промывки слой плавающей гранулированной загрузки 9 расширяется на 20-50% от высоты верхней камеры 7, обеспечивая эффективную очистку гранул плавающего материала. Отвод промывной воды осуществляют через среднее распределительное устройство 12 верхней камеры 7 и далее через трубопровод 13.
Учитывая необходимость расширения слоев плавающей гранулированной загрузки 9, кварцевого песка 18 и гидроантрацита 19 во время обратной промывки водой, высота слоев плавающей загрузки 9 и тяжелой многослойной загрузки 10 составляют 50-80% от высот своих камер.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет существенно снизить капитальные затраты, рационально использовать площади помещения, провести в одном корпусе фильтра процесс грубой и тонкой очистки воды, обеспечить высокую производительность очистки воды и экономию промывной воды за счет использования противоточной технологии.