Двухступенчатый напорный фильтр для очистки природных и сточных вод

Полезная модель относится к фильтрам, содержащим сыпучие фильтрующие материалы с направлением движения жидкости сверху вниз и снизу вверх и работающих под давлением. Устройство предназначено для очистки природных и сточных вод фильтрованием от коллоидных, нерастворенных взвешенных органических и минеральных веществ, соединений железа и марганца.
Известен напорный фильтр (патент RU 2310496 С1, опубликован 20.11.2007, бюл. №32). Внутри корпуса фильтра с возможностью вертикального перемещения относительно друг друга установлены цилиндроконические обечайки. В центре обечаек имеется цилиндрическая перфорированная труба. Она выполнена телескопической разъемной, ее верхний конец закреплен на конической части верхней обечайки и через центральное отверстие в обечайке и сильфон соединен с узлом подвода исходной воды и отвода промывной воды. Нижний конец перфорированной трубы жестко закреплен на конусной части нижней обечайки. Фильтрующая загрузка с плотностью меньше плотности воды расположена между перфорированной трубой и боковыми цилиндрическими поверхностями, выполненными тоже перфорированными.
Недостатком устройства является наличие внутри корпуса подвижных и разъемных элементов, что приведет в процессе эксплуатации к механическим заклиниваниям подвижных элементов зернами загрузки и разрушению конструкции фильтра.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству, прототипом, является двухступенчатый напорный фильтр(патент RU 2527216 С1, опубликован 27.08.2014, бюл. №24). Фильтр содержит вертикальный цилиндрический корпус со сферическими крышкой и днищем, разделенный горизонтальной перегородкой на верхнюю и нижнюю камеры. Верхняя камера загружена плавающим гранулированным материалом, а нижняя камера - тяжелой многослойной загрузкой. Очищаемая вода поступает через среднее распределительное устройство верхней камеры и фильтруется снизу вверх через плавающую гранулированную загрузку для очистки от грубодисперсных загрязнений. Частично очищенную воду собирают в верхнем распределительном устройстве и через центральную вертикальную трубу направляют в среднее распределительное устройство нижней камеры. В нижней камере воду фильтруют сверху вниз через тяжелую многослойную загрузку и после ее тонкой очистки от мелкодисперсных загрязнений выводят через нижнее распределительное устройство.
Недостатком устройства является то, что конструкция данного фильтра не позволяет максимально использовать грязеемкость фильтрующей загрузки, т.к. первые слои по ходу фильтрования воды загрязняются задержанными загрязнениями быстрее, чем последние, сопротивление загрузки возрастает, что требует перевода фильтра в режим регенерации и не позволяет в полной мере использовать грязеемкость загрузки.
Задача полезной модели - повышение эффективности очистки природных и сточных вод.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в увеличении грязеемкости фильтрующего материала путем направленного формирования его межзерновой пористости в условиях фильтрования воды в режиме нестационарных скоростей.
Поставленная задача решается тем, что в двухступенчатом напорном фильтре, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, разделенный на верхнюю и нижнюю камеры, верхнее и нижнее водораспределительные устройства, трубопровод с запорной арматурой для подачи очищаемой воды и отвода промывной воды, трубопровод с запорной арматурой для подачи промывной воды и отвода очищенной воды (фильтрата), подключенный к верхнему водораспределительному устройству, слой плавающей гранулированной загрузки и тяжелую многослойную загрузку, согласно полезной модели корпус разделен конической перегородкой на верхнюю и нижнюю камеры, при этом слой плавающей гранулированной загрузки расположен в нижней камере, а слой тяжелой многослойной загрузки - в верхней камере, и верхняя камера снабжена воздуховодом и аэраторами.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого двухступенчатого напорного фильтра, где
1. Вертикальный цилиндрический корпус;
2. Щелевые отверстия;
3. Коническая перегородка;
4. Аэратор;
5. Верхнее водораспределительное устройство;
6. Нижняя камера;
7. Нижнее водораспределительное устройство;
8. Воздуховод;
9. Трубопровод отвода очищенной воды;
10. Патрубок подачи промывных вод;
11. Патрубок загрязненных промывных вод;
12. Трубопровод подачи очищаемой воды;
13. Верхняя камера;
14. Плотная многослойная загрузка;
15. Плавающая гранулированная загрузка;
16. Автоматический воздухоотводчик.
3
3
Двухступенчатый напорный фильтр содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, на поверхности которого установлен автоматический воздухоотводчик 16. Внутри корпус разделен конической перегородкой 3, в широкой части которой располагаются щелевые отверстия 2, предназначенные для пропуска воды из одной камеры фильтра в другую. Нижняя камера 6 загружена плавающей гранулированной загрузкой 15 (к примеру, пенополистиролом с размером гранул 5-8 мм). Верхняя камера 13 загружена плотной многослойной загрузкой 14. Плотная многослойная загрузка состоит, к примеру, из нижнего слоя песка кварцевого плотностью 2500-2700 кг/м(размер гранул 0,5-2 мм) и верхнего слоя гидроантрацита плотностью 1500-1700 кг/м(размер гранул 2-5 мм). В основании нижней камеры фильтра по центру располагается нижнее водораспределительной устройство 7, к которому подводится трубопровод подачи очищаемой воды 12, и через патрубок отвода загрязненных промывных вод 11 отводятся загрязненные промывные воды после регенерации загрузки. По центру в нижней части конической перегородки 3 со стороны верхней камеры 13 фильтра располагается верхнее водораспределительной устройство 5, через которое: а) отводится по трубопроводу отвода очищенной воды 9 фильтрат; б) подается по патрубку 10 вода для регенерации загрузки в период промывки загрузки фильтра. Для улучшения регенерации загрузки по воздуховоду 8 через систему аэраторов 4 подается в период промывки сжатый воздух в верхнюю камеру 13 фильтра 1.
Принцип работы. Режим фильтрования (на фиг. 1 направление движение очищаемой воды показано темными стрелками): исходная вода, подлежащая очистке, подается через трубопровод 12 в нижнее водораспределительное устройство 7, из которого радиально поступает в нижнюю камеру 6 корпуса фильтра 1. Вода движется через слой плавающей гранулированной загрузки, фильтруется с переменной скоростью (от минимальной в начале до максимальной в конце). Изменение скорости происходит по двум причинам. Во-первых, из-за геометрического сужения живого сечения по высоте в нижней камере 6. Во-вторых, фильтрующий материал, имеющий плотность меньше плотности воды, стремится всплыть и тем самым самоуплотняется, уменьшая пористость от максимальной у нижних слоев загрузки до минимальной у верхних слоев загрузки 15.
Изменение скорости фильтрации (ее увеличение) приводит к равномерному загрязнению фильтрующей загрузки по ее высоте.
Важно отметить, что коническая форма нижней камеры 6 позволяет зернам легкой загрузки, которые на своей поверхности задержали загрязнение и тем самым увеличили свою плотность опуститься ниже, пропустив вверх более чистое зерно загрузки, имеющее меньшую плотность. Это дополнительно увеличивает грязеемкость загрузки в камере 15, т.к. очищаемые воды в первую очередь будут контактировать с наиболее загрязненной загрузкой, оставляя на их поверхности и в порах загрузки наиболее крупные загрязнения. Этими особенностями конструктивного решения фильтра обеспечивается повышение грязеемкости загрузки в нижней камере фильтра.
Через щелевые отверстия 2 вода поступает в верхнюю камеру 13. В верхней камере вода фильтруется через плотную многослойную загрузку 14 с переменной скоростью - от минимальной в начале до максимальной в конце. При этом также происходит равномерное загрязнение загрузки по ее высоте. Это повышает общую грязеемкость всего фильтра. Очищенная вода отводится по трубопроводу отвода очищенной воды 9.
При загрязнении фильтрующих материалов выполняют обратную промывку фильтра. Режим регенерации (на фиг. 1 направление движения воды показано светлыми стрелками). Для улучшения очистки фильтрующих материалов по воздуховоду 8 через систему аэраторов 4 подается сжатый воздух в верхнюю камеру 13. По патрубку 10 в верхнюю камеру через верхнее водораспределительное устройство 5 поступает вода на промывку. При этом в верхней камере 13 загрузка расширяется, зерна загрузки находятся во псевдокипящем состоянии, что приводит к оттиранию загрязнений с тел зерен плотной фильтрующей загрузки. Воздух из верхней камеры 13 удаляется автоматическим воздухоотводчиком 16. Промывная вода из верхней камеры 13 через щелевые отверстия 2 попадает в нижнюю камеру 6. Плавающая гранулированная загрузка, благодаря своей малой плотности, стремится вверх. Поток воды из щелевых отверстий 2 движется вниз - на встречу зернам плавающей гранулированной загрузки. Это приводит к перемешиванию зерен загрузки 15, взаимному столкновению и оттиранию загрязнений с тел зерен легкой загрузки. Загрязненные промывные воды отводятся из корпуса фильтра по патрубку 11.