ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ
WATER FILTER

Заявляемое изобретение относится к очистке природных и промышленных сточных вод и может быть использовано в системах оборотного водоснабжения металлургической, химической, теплоэнергетической и других отраслей промышленности.
2
Известен фильтр для очистки воды (СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения/ Госстрой СССР. - М., 1985. - С.34-36, пп.6.107, 6.108, 6.115, 6.119, 6.121), содержащий корпус, разделенный промежуточным днищем на камеру грязной воды, заполненную однослойной крупнозернистой загрузкой из кварцевого песка с крупностью зерен 1,6-2,5 мм высотой 2,5-3 м, и камеру отфильтрованной воды, распределительную дренажную систему со щелевыми колпачками в количестве 35-50 на 1 м рабочей площади фильтра, патрубки для подвода и отвода обрабатываемой и промывной воды и сжатого воздуха. В распределительной дренажной системе щелевые колпачки, как правило, устанавливаются по коридорной или шахматной схеме, а потеря напора в зернистой загрузке и щелевых колпачках не должна превышать 0,15 МПа.
Потеря напора в распределительной дренажной системе со щелевыми колпачками определяется по формуле
где ζ - коэффициент гидравлического сопротивления, рекомендуется принять равным 4;
v - скорость воды или водовоздушной смеси в щелях колпачка, не менее 1,5 м/с;
2
g - ускорение силы тяжести, м/с.
2
К недостаткам такого фильтра можно отнести сложную и недостаточно надежную конструкцию распределительной дренажной системы, что обуславливается необходимостью размещения на промежуточном днище большого количества щелевых колпачков (35-50 шт. на 1 м рабочей площади фильтра).
Применение формулы (1) для расчета потери напора в распределительной дренажной системе со щелевыми колпачками возможно только для фильтров, в которых применяются поддерживающие слои, так как коэффициент сопротивления ζ не учитывает увеличение потери напора за счет прилегания зерен загрузки к щелям колпачков в режиме фильтрования.
Устройство в фильтрах поддерживающего слоя, расположенного между загрузкой и промежуточным днищем, не создает условий для равномерного распределения воды и воздуха во время промывки фильтра и отвода отфильтрованной воды. Применение поддерживающего слоя приводит к удорожанию фильтра, и в некоторых случаях, при недостаточной потере напора в щелевых колпачках, поддерживающий слой является причиной нарушения процессов фильтрования и промывки фильтра, что обусловлено наличием системы горизонтальной компенсации по высоте поддерживающего слоя. Поэтому распределительную дренажную систему большого сопротивления необходимо размещать непосредственно в зернистой загрузке фильтра без устройства поддерживающего слоя, и в этом случае может быть достигнуто равномерное распределение промывной воды и отвод отфильтрованной воды по рабочей площади фильтра.
2
Работа фильтра, оснащенного однослойной крупнозернистой загрузкой, характеризуется короткими фильтроциклами вследствие небольшой грязеемкости, обычно не более 5-8 кг/м рабочей площади фильтра. Кроме того, такой фильтр не может быть использован для очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты в виде масел. В последние годы предпочтение отдается фильтрам с двух- и многослойными загрузками, например фильтрам с крупнозернистой двухслойной загрузкой из слоя дробленого антрацита с крупностью зерен 3-6 мм и слоя кварцевого песка с крупностью зерен 1,6-2,5 мм.
2
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату при его использовании является выбранный в качестве прототипа фильтр для очистки воды (а.с. №710580, МПК2 В01D 23/26, опубл. 25.01.1980, бюл. №3), содержащий корпус, разделенный промежуточным днищем на камеру грязной воды, заполненную крупнозернистой двухслойной загрузкой из слоя дробленого антрацита с крупностью зерен 3-6 мм и слоя кварцевого песка с крупностью зерен 1,6-2,5 мм, и камеру отфильтрованной воды, центральную вертикальную трубу с установленными в ее верхней части водосборной воронкой и колосниковой решеткой, распределительную дренажную систему со щелевыми колпачками, патрубки для подвода и отвода обрабатываемой и промывной воды, а также сжатого воздуха. При этом щелевые колпачки, как правило, устанавливаются по коридорной или шахматной схеме в количестве 35-50 шт. на 1 м рабочей площади фильтра.
2
Оснащение прототипа усовершенствованной конструкцией верхней распределительной системы, включающей водосборную воронку со съемными колосниковыми решетками, позволяет исключить попадание случайных предметов в камеру грязной воды во время фильтрования и вынос зернистой загрузки из фильтра во время промывки, что является существенным преимуществом по сравнению с аналогом и другими конструкциями фильтров. Однако конструкция распределительной дренажной системы со щелевыми колпачками прототипа имеет такие же недостатки, что и у аналогов, а именно сложность и недостаточная надежность, обусловленные необходимостью размещения большого количества дренажных колпачков (35-50 на 1 м рабочей площади фильтра), а также рекомендуемые схемы размещения их на промежуточном днище. К недостаткам прототипа также можно отнести низкие технико-экономические показатели работы прототипа и непродолжительный срок его службы, обусловленные тем, что распределительная дренажная система прототипа не позволяет обеспечить как равномерный отвод отфильтрованной воды, так и равномерную подачу промывной воды. Кроме того, такая распределительная дренажная система характеризуется недостаточной надежностью в эксплуатации.
В основу заявляемого изобретения поставлена техническая задача создать такой фильтр для очистки воды, который за счет усовершенствования конструкции распределительной дренажной системы большого сопротивления позволит обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении технико-экономических показателей работы фильтра, а также в повышении надежности его эксплуатации и в увеличении срока службы.
2
Поставленная задача решается за счет того, что фильтр для очистки воды, содержащий корпус, разделенный промежуточным днищем на камеру грязной воды, заполненную крупнозернистой двухслойной загрузкой из слоя дробленого антрацита с крупностью зерен 3-6 мм и слоя кварцевого песка с крупностью зерен 1,6-2,5 мм, и камеру фильтрата, центральную вертикальную трубу с установленными в ее верхней части водосборной воронкой и колосниковой решеткой, распределительную дренажную систему со щелевыми колпачками, патрубки для подвода и отвода обрабатываемой и промывной воды и сжатого воздуха, согласно изобретению снабжен усовершенствованной распределительной дренажной системой большого сопротивления со щелевыми колпачками в количестве 20 штук на 1 мрабочей площади фильтра, расположенными на промежуточном днище по концентрическим окружностям с расстоянием между щелевыми колпачками 180-220 мм, при этом соотношение ширины щелей в щелевом колпачке к диаметру зерен нижнего предела фракции кварцевого песка составляет 0,55-0,65.
2
Снабжение заявляемого фильтра усовершенствованной распределительной дренажной системой большого сопротивления при установке 20 щелевых колпачков на 1 м рабочей площади фильтра и их размещение на промежуточном днище по концентрическим окружностям с расстоянием между колпачками 180-220 мм, а также обеспечение соотношения ширины щелей в щелевых колпачках к диаметру зерен нижнего предела фракции кварцевого песка, которое составляет 0,55-0,65, позволяет использовать крупнозернистую двухслойную загрузку из слоя дробленого антрацита фракций 3-6 мм и слоя кварцевого песка фракций 1,6-2,5 мм без устройства поддерживающего слоя при скорости фильтрования 30-50 м/ч, разместить распределительную дренажную систему большого сопротивления со щелевыми колпачками непосредственно в загрузке фильтра, обеспечить равномерный сбор отфильтрованной воды с рабочей площади фильтра при фильтровании, а также обеспечить равномерное распределение воды и воздуха по рабочей площади фильтра при промывке. Кроме того, предотвращается засорение щелей колпачков при фильтровании и промывке крупнозернистой двухслойной загрузки, а также обеспечивается предельная потеря напора в заявляемом фильтре не более 0,1 МПа, увеличение срока службы, повышение надежности и технико-экономических показателей работы фильтра.
Распределительная дренажная система большого сопротивления в заявляемом фильтре во время фильтрования позволяет обеспечить равномерный отвод отфильтрованной воды, а во время промывки - равномерное распределение воды и воздуха по рабочей площади фильтра. Гидравлическая неустойчивость потоков отфильтрованной воды во время фильтрования, а также потоков промывной воды и воздуха во взвешенном слое во время промывки нейтрализуется сопротивлением в щелях колпачков по направлению движения этих потоков.
Определяющим параметром распределительной дренажной системы большого сопротивления со щелевыми колпачками является потеря напора в ней. Поэтому известная формула (1) может быть представлена в следующем виде:
где
h - потеря напора, м вод. ст.
v - скорость движения воды в щелях колпачков, м/с;
2
g - ускорение силы тяжести, м/с;
µ - коэффициент расхода.
Скорость движения воды в щелях колпачков распределительной дренажной системы большого сопротивления должна быть во время фильтрования не менее 2 м/с, а во время промывки не менее 3-4 м/с.
Отличительной особенностью расчета по этой формуле является то, что в ней принят уточненный коэффициент расхода µ, величина которого получена в ходе экспериментальных исследований. В процессе фильтрования в фильтрах без поддерживающего слоя зерна загрузки прилегают к щелям колпачков, поэтому потеря напора в таких колпачках будет значительно выше по сравнению с чистыми колпачками, на которые не влияет зернистая загрузка. По результатам экспериментальных исследований выявлены условия, при которых зерна загрузки, прилегающие к щелям колпачков, оказывают минимальное влияние на сопротивление. Во время промывки под воздействием воды, истекающей из щелей отдельно взятого колпачка, зернистая загрузка в районе его расположения переходит во взвешенное состояние и коэффициент µ при расчете потери напора необходимо принимать как для чистых колпачков без влияний зерен загрузки. Таким образом, в результате экспериментальных исследований величину коэффициента расхода µ при расчете потери напора в процессе фильтрования рекомендуется принять 0,25-0,3, а в процессе промывки 0,38-0,43. Однако, несмотря на более высокую величину коэффициента расхода µ для чистых щелевых колпачков, расчет потери напора в распределительной дренажной системе должен производиться исходя из условий обеспечения проведения эффективной промывки фильтра. Последнее связано с тем, что скорость промывной воды в щелях дренажных колпачков принимается в 1,5-2,0 раза большей, чем в той же дренажной системе во время работы фильтра в режиме фильтрования.
2
2
Создание усовершенствованной распределительной дренажной системы большого сопротивления с установкой 20 щелевых колпачков на 1 м рабочей площади фильтра и рациональной схемы их размещения на промежуточном днище фильтра по концентрическим окружностям позволяет увеличить расстояние между соседними колпачками в пределах от 180 мм до 220 мм, а также исключить абразивный износ соседних колпачков и внутренних участков корпуса фильтра, прилегающих к промежуточному днищу. Кроме того, установка на промежуточном днище щелевых колпачков на расстоянии 180-220 мм друг от друга в количестве 20 штук на 1 м рабочей площади фильтра обеспечивает проведение эффективной промывки фильтра при равномерном распределении промывной воды по рабочей площади фильтра.
2
2
Установка более 20 щелевых колпачков на 1 м рабочей площади фильтра обусловит создание условий для абразивного воздействия на соседние колпачки потоков воды, истекающих из щелевых колпачков, и взвешенных зерен фильтрующей загрузки при промывке фильтра, а установка менее 20 щелевых колпачков на 1 м рабочей площади фильтра обусловит необходимость увеличения расстояния между ними, при этом в промежутках между колпачками будут образовываться зоны с недостаточно промываемой зернистой загрузкой.
Расположение щелевых колпачков фильтра на промежуточном днище по концентрическим окружностям является более рациональным техническим решением по сравнению с коридорной или шахматной схемами. В схеме размещения щелевых колпачков по концентрическим окружностям они равномерно расположены по рабочей площади фильтра, и особенно важно то, что, размещая щелевые колпачки на более удаленной окружности от оси фильтра, последние будут одинаково удалены от внутренней стенки корпуса.
Одним из условий обеспечения надежной и устойчивой работы фильтра в режиме фильтрования и промывки является предотвращение засорения щелей колпачков распределительной дренажной системы, которое достигается за счет заявляемого соотношения ширины щелей в колпачке к диаметру нижнего предела фракции кварцевого песка, принятого на основании экспериментальных исследований и составляющего 0,55-0,65. Заявляемое соотношение 0,55-0,65 является наиболее оптимальным для распределительной дренажной системы большого сопротивления со щелевыми колпачками.
При соотношении ширины щелей в колпачке к диаметру зерен нижнего предела фракции кварцевого песка большем, чем 0,65, увеличивается потеря напора в распределительной дренажной системе за счет перекрытия щелей и их забивания песчинками зернистой загрузки и возникают трудности по удалению этих песчинок из щелей колпачков во время эксплуатации.
При соотношении ширины щелей в колпачке к диаметру зерен нижнего предела фракции кварцевого песка менее 0,55 нерационально используется располагаемый напор в режиме фильтрования, а также увеличивается трудоемкость изготовления щелевых колпачков из-за увеличения трудоемкости нарезки более узких щелей в колпачках. В нашем случае при использовании для нижнего слоя загрузки крупнозернистого кварцевого песка фракций 1,6-2,5 мм ширина щелей колпачков составит 0,9-1,0 мм.
Сущность заявляемого фильтра для очистки воды поясняется графическим материалом, где представлено на:
- фиг.1 - общий вид фильтра для очистки воды;
- фиг.2 - схема размещения щелевых колпачков.
2
Фильтр состоит из корпуса 1, расположенного внутри корпуса 1 промежуточного днища 2, разделяющего корпус 1 на камеру 3 грязной воды, заполненную крупнозернистой двухслойной загрузкой из слоя дробленого антрацита 4 с крупностью зерен 3-6 мм и слоя кварцевого песка 5 с крупностью зерен 1,6-2,5 мм, и камеру 6 отфильтрованной воды. К корпусу 1 присоединен патрубок 7 для подачи исходной загрязненной воды в центральную вертикальную трубу 8 с установленной в ее верхней части водосборной воронкой 9 и колосниковой решеткой 10, патрубок 11 для отвода отфильтрованной воды, патрубок 12 для подвода промывной воды и патрубок 13 для подвода сжатого воздуха в камеру 6 отфильтрованной воды. Отвод промывной воды из фильтра производится через патрубок 7. Промежуточное днище 2 и щелевые колпачки 14 представляют собой распределительную дренажную систему большого сопротивления фильтра. Щелевые колпачки 14 установлены на промежуточном днище 2 в количестве 20 штук на 1 м рабочей площади фильтра по концентрическим окружностям так, что расстояние между щелевыми колпачками 14 составляет 180-220 мм, например 200 мм. При использовании для нижнего слоя загрузки крупнозернистого кварцевого песка с фракцией 1,6-2,5 мм ширина щелей в колпачках 14 распределительной дренажной системы большого сопротивления составляет 0,9-1,0 мм, например 0,95 мм.
Заявляемый фильтр работает следующим образом.
При фильтровании исходная загрязненная вода по патрубку 7 поступает в центральную вертикальную трубу 8 к водосборной воронке 9 и через колосниковую решетку 10 попадает вовнутрь корпуса 1 фильтра, проходит через крупнозернистую двухслойную загрузку, сначала через слой дробленого антрацита 4, затем через слой кварцевого песка 5, после чего поступает в распределительную дренажную систему, оснащенную щелевыми колпачками 14, и выводится из камеры 6 отфильтрованной воды через патрубок 11.
При промывке промывная вода по патрубку 12, а сжатый воздух по патрубку 13 подаются в камеру 6 отфильтрованной воды, проходят через щелевые колпачки 14 распределительной дренажной системы, поступают в камеру 3 грязной воды, проходят через крупнозернистую двухслойную загрузку, сначала через слой кварцевого песка 5, затем через слой дробленого антрацита 4, взрыхляя загрузку и вымывая из нее загрязнения. Загрязненная промывная вода и воздух через колосниковую решетку 10 поступают в водосборную воронку 9 и отводятся из фильтра через центральную вертикальную трубу 8 и патрубок 7 на сооружения обработки промывной воды.