14 3 Медленные фильтры Основным технологическим процессом на

14. 3. Медленные фильтры Основным технологическим процессом на медленных фильтрах является глубокое безреагентное осветление природных поверхностных вод за счет их процеживания (фильтрования) через мелкозернистый песок с малыми скоростями (0, 1÷ 0, 3 м/ч). Такой режим процеживания предопределяет практически полное задержание взвешенных и коллоидных примесей, а также бактерий.

Причем, задерживаются загрязнения в основном в верхнем 2 -х ÷ 3 -х сантиметровом слое песчаной загрузки, где постепенно по мере процеживания загрязненной воды образуется биологически активная среда – биопленка, а процесс ее образования условно называется “созреванием” медленного фильтра.

Благодаря биохимическим процессам при достаточно активной жизнедеятельности микроорганизмов, присутствующих в биопленке, и обеспечивается высочайший эффект очистки природных вод. Кроме осветления воды – снижения концентрации ГДП медленные фильтры на 40 ÷ 60% снижают цветность воды, практически полностью удаляют растворенную и полурастворенную органику, задерживают до 95 ÷ 98% бактерий.

Таким образом, за счет метаболизма микроорганизмов из воды удаляются комплексоорганические и бактериологические загрязнители, а также многие другие сложно выводимые компоненты. Бактерицидное созревание медленного фильтра зависит от физико-химических свойств воды, от содержания в ней органики и продолжается обычно не более 36 часов.

hф =0, 5 ÷ 1, 0 м слой воды h =1, 2 ÷ 1, 5 м Схема процеживания воды в медленных фильтрах с горизонтальной фильтрующей поверхностью } фильтрующая загрузка илистый слой (биопленка) зона пленочного фильтрования (процеживания) дренаж

Продолжительность периода полезной работы фильтра определяется временем исчерпания располагаемого напора. Обычно этот период составляет 15 ÷ 30 суток или несколько больше, что зависит от количества взвешенных в воде примесей и глубины фильтра. Для обеспечения пленочного режима фильтрования – процеживания слой воды над поверхностью загрузки должен быть в пределах 1, 2 ÷ 1, 5 м.

Использование медленных фильтров для осветления жидких сред часто считается нецелесообразным, особенно при мутности воды выше 150 ÷ 250 мг/дм 3. Обусловлено это тем, что при горизонтально располагаемой фильтрующей поверхности и малых скоростях фильтрования габариты сооружений слишком велики, что не может не считаться важным технологическим противоречием.

Кроме того, на фильтрующей поверхности интенсивно формируется слабопроницаемый илистый слой не только за счет задержания взвешенных в воде веществ в верхнем слое зернистой загрузки непосредственно при процеживании, но и за счет седиментации ГДП, быстро накапливающихся на поверхности.

В г. Траки на комплексе «Тахо-Траки» использовались два медленных фильтра. Эти сооружения представляют собой емкости с бетонными стенками загруженные кварцевым песком крупностью зерен 0, 2 – 0, 6 мм, слоем толщиной 1200 мм. В плане фильтры выполнены прямоугольными со скругленными торцевыми стенками с размерами 86× 32 м общим объемом более 16, 0 тыс. м 3.

Медленный фильтр на комплексе «Тахо-Траки» (шт. Калифорния, США)

Под слоем фильтрующей загрузки уложен систематический дренаж – перфорированные полиэтиленовые трубы с шагом 5 м. В настоящее время медленные фильтры не используются. Основной причиной отказа от их использования явились сложности регенерации фильтрующей загрузки. Илистую пленку и верхний закольматированный слой песчаной загрузки предполагалось не чаще одного раза в год удалять механизировано с помощью скрепера.

Как показал опыт эксплуатации такой способ декольматации требует полного опорожнения емкости фильтра и подсушивания загрузки с обеспечением достаточной несущей способности. По продолжительности указанные операции занимали более 30 -ти суток при большой трудоемкости.

На водопроводных станциях очистки природных вод, где используются медленные фильтры, для регенерации загрузки применяют специальные устройства. Например, на очистных сооружениях “Олегем” г. Антверпена используются гидравлические аппараты “Сивад”, смонтированные на подвижных тележках, передвигающихся вдоль фильтра по рельсам.

На комплексе водоподготовки в г. Лейдуине загрязненный поверхностный слой песка из медленных фильтров один раз в месяц удаляется с помощью скреперного механизма со шнековым рабочим органом, смонтированного на мостовом кране. Такие способы регенерации загрузки не требуют опорожнения емкости фильтров и подсушивания загрузки, что значительно упрощает их эксплуатацию.

Однако, при горизонтальной фильтрующей поверхности и скорости фильтрования обрабатываемой воды 0, 1 м/ч и даже до 0, 5 м/ч габаритные размеры медленных фильтров велики. Это часто предопределяет то, что в системах очистки природных вод предпочтение отдается другим сооружениям.

Принципиального значения не имеет то, каким образом происходит накопление илистого осадка на фильтрующей поверхности. Более значима интенсивность нарастания потерь напора в верхнем слое загрузки, поскольку именно это определяет продолжительность фильтроцикла.

Однако, важным это становится тогда, когда появляется возможность технологически разделить эти факторы, влияющие на интенсивность роста потерь напора в верхнем слое загрузки. В частности, если поверхность фильтрующей загрузки расположить вертикально, то ГДП не будут задерживаться на ней и эта часть загрязнений будет накапливаться только на горизонтальном днище.

При горизонтальной поверхности загрузки общее количество загрязнений Г накопившихся на 1 м 2 и в ее верхнем слое составит: Г = Мс· vп· tп , кг/м 2, где Мс – мутность исходной воды, подаваемой на фильтр; v n – скорость фильтрации в период полезной работы медленного фильтра (v n = 0, 1÷ 0, 3 м/ч); tп – продолжительность периода полезной работы фильтра.

Потери напора в илистом слое, образующемся на поверхности загрузки, ΔР определяется по формуле: где µ – коэффициент динамической вязкости; φ – удельное сопротивление грязевой пленки. После достижения предельных потерь напора в илистом слое уровень воды в фильтре повышается до максимума. Это определяет момент остановки фильтра и проведения его регенерации.

Регенерация верхнего слоя фильтрующей загрузки таких фильтров на практике вызывает существенные затруднения. В частности, требуется технологически сложная система гидравлической регенерации, а при использовании механического удаления верхнего слоя возникает необходимость переброски больших объемов воды и продолжительное подсушивание илистого слоя.

Перспективность использования медленного фильтрования для очистки природных вод вполне очевидна при условии исключения основных недостатков, к которым, в первую очередь, следует отнести большие габаритные размеры сооружений, высокую интенсивность роста потерь напора и сложность регенерации фильтрующего материала.

Указанные проблемы могут быть решены, например, посредством размещения в корпусе медленного фильтра цилиндрических блоков, заполненных зернистым фильтрующим материалом с вертикально расположенной фильтрующей поверхностью. При такой компоновке фильтрующих элементов размеры сооружения в плане сокращаются более чем в 4 раза.

Поток очищаемой жидкости в таких медленных фильтрах направлен горизонтально, а в пределах каждого блока вода фильтруется в радиальном направлении к центральному перфорированному стояку. На вертикальной фильтрующей поверхности взвесь не осаждается и интенсивность нарастания потерь напора обусловлена только накоплением загрязнений в порах загрузки кольматацией.

Блочный медленный фильтр В. Л. Головина 2 7 7 8 8 8 14 3 54 10 3 подача очищаемой воды 3 6 5 11 13 12 1 10 9 1 - трубопровод подачи исходной жидкости на очистку; 2 - корпус медленного фильтра; 3 - цилиндрические блоки с сетчатой фильтрующей поверхностью; 4 - фильтрующая загрузка (вспененный полистирол); 5 - интенсивно кольматируемый слой загрузки; 6 - центральный перфорированный стояк; 7 - верхняя водонепроницаемая часть стояка; 8 - герметичная крышка фильтровальных блоков; 9 - герметичное днище блоков; 10 - коллектор отвода осветленной жидкости; 11 - патрубок коллектора, совмещенный со стояком; 12 - перфорированный трубопровод отвода осадка; 13 - зона накопления осадка; 14 - уровень максимального наполнения медленного фильтра

Обечайки цилиндрических блоков выполняются в виде стержневого каркаса с мелкоячеистой металлической сеткой аналогично техническому решению по патенту SU № 1771470. Вертикальные стержни, выполняющие роль опорной конструкции, крепятся к плоскому днищу. По вертикальной оси каждого блока устанавливается стояк с перфорацией в пределах размещения фильтрующей загрузки.

Цилиндрические блоки размещаются в емкости по осям сборных коллекторов, причем каждый из коллекторов оборудован соединительными вертикальными патрубками, посредством которых они сообщаются с вертикальными стояками цилиндрических блоков. В цилиндрических блоках помещается зернистая фильтрующая загрузка (вспененный пенополистирол).

Через загрузку осуществляется фильтрование загрязненной воды со скоростью, в слое непосредственно примыкающем к сетчатой поверхности блока, не выше 0, 1 ÷ 0, 3 м/час. При мелкозернистой загрузке блоков и указанном диапазоне скорости процеживания обеспечивается пленочный режим. Скорость фильтрации в толще загрузки, в связи с тем, что поток радиальный, постепенно увеличивается и у вертикального водоприемного стояка повышается до 2, 0 м/ч.

В качестве загрузки блочного фильтра целесообразно использовать вспененный полистирол марки ПСВ, который достаточно широко применяется в настоящее время в системах водоподготовки хозяйственнопитьевого водоснабжения как плавающая загрузка фильтровальных устройств.

При диаметре гранул такого фильтрующего материала 1, 25 ÷ 2, 50 мм его пористость составляет 45%, а насыпная плотность – около 50 кг/м 3. В этом случае масса каждого из цилиндрических фильтровальных блоков медленного фильтра составит не более 250 ÷ 300 кг, что существенно упрощает монтаж и демонтаж блоков при их замене для регенерации загрузки.

Регенерация фильтрующей загрузки осуществляется ее высушиванием с последующим просеиванием. Замена блоков осуществляется поочередно при предельно допустимой кольматации загрузки. Об этом свидетельствует положение уровня воды в вертикальном стояке ниже отметки крышки. При замене блока с закольматированной загрузкой на резервный отключается только сборный коллектор, на котором установлен заменяемый блок, без отключения медленного фильтра.

Важное значение имеет и то, что при “сухой” регенерации фильтрующего материала за счет его подсушивания и отсеивания накопившихся в нем загрязнений существенно упрощается технологическая схема. В частности, из состава системы очистки исключаются емкости хранения промывной воды, насосы промывки фильтров и перекачки сбросных вод.

При проектировании блочного медленного фильтра необходимо определить количество цилиндрических блоков N и габаритные размеры корпуса – прямоугольной в плане емкости. где Q – требуемая производительность фильтра, м 3/ч; Dб – диаметр цилиндрического блока, м; hб – высота блока, м; v – принятая скорость фильтрования (0, 1÷ 0, 3 м/ч).

Длина корпуса фильтра Lф определяется количеством принятых водосборных коллекторов nк , вдоль которых устанавливаются цилиндрические блоки: . Ширину корпуса фильтра Вф при трех параллельных коллекторах можно определить по формуле Вф = 2, 5·(Dб + 0, 05 ).

Кроме блочного медленного фильтра в Даль. НИИГи. М разработана конструкция фильтра с плоскими фильтрующими элементами, изготовление которых по сравнению с цилиндрическими блоками существенно упрощается, а габариты фильтра в плане еще уменьшены в 1, 5 ÷ 2, 0 раза.

При этом в плоских картриджах в отличие от цилиндрических блоков скорость фильтрования не изменяется по пути фильтрации от фронтальной до тыльной сетчатой стенки. Фильтрующие элементы – съемные картриджи устанавливаются с возможностью их вертикального перемещения в специально предусматриваемых направляющих.

Медленный фильтр с плоскими фильтрующими элементами 8 1 подача воды на очистку 6 2 6 7 7 4 5 3 9 10 9 1 - трубопровод подачи воды на очистку; 2 - патрубки подачи очищаемой жидкости; 3 - корпус медленного фильтра; 4 - кассеты (сменные картриджи) с вертикальной фильтрующей поверхностью; 5 - фильтрующая загрузка (вспененный полистирол); 6 - вертикальная водонепроницаемая перегородка; 7 - камера седиментационного осветления; 8 - уровень максимального наполнения медленного фильтра; 9 - перфорированный коллектор отвода осветленной жидкости; 10 - коллектор отвода осадка

Как и в цилиндрических блоках в плоских фильтрующих элементах размещается гранульная загрузка из вспененного полистирола. Расстояние между вертикальными сетками и, следовательно, толщина слоя фильтрующего материала должна быть не менее 0, 4 ÷ 0, 5 м.

Периодически по мере кольматации фронтального слоя обеспечивается “сухая” регенерация загрузки. Извлечение и замена каждого картриджа производится при отключенной задвижке подающего патрубка или после предварительной установки коробообразного шибера перед заменяемым фильтрующим элементом со стороны камеры седиментационного осветления.

Таким образом, важнейшим достоинством обработки воды на медленных фильтрах при пленочном процеживании является возможность получения воды высокого качества. Этот эффект обусловлен, в том числе, развитием специфичной микрофлоры в илистом слое.