Двухслойный напорный фильтр для глубокой очистки воды

Изобретение относится к области обработки воды, более точно к конструкции фильтра, позволяющего эффективно совмещать в одном сооружении процесс физико-химической очистки с применением коагулянта и глубокой доочистки, как для маломутных цветных вод из поверхностных источников в целях питьевого водоснабжения, так и для доочистки биологически очищенных сточных вод.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение фильтрационной способности и увеличения срока использования сорбционного материала.

Техническим результатом является снижение загрязнения сорбционного материала промывными водами от нижнего слоя загрузки.

Указанный результат достигается конструкцией фильтра, содержащего в одном корпусе по крайней мере одну группу камер для различных по свойствам фильтровальных материалов, камеру расширения загрузки для обратной промывки, дренажные колпачковые системы для подвода исходной воды, систему отвода фильтрата и промывной воды, при этом группа камер для различных по свойствам фильтровальных материалов состоит из верхней камеры, которая содержит слой фильтрующего материала, представляющего собой плавающую загрузку из пенополистирола и нижней камеры, содержащей фильтрующий слой - сорбционный материал тяжелее воды, при этом камера расширения загрузки для обратной промывки расположена между верхней и нижней камерами группы для различных по свойствам фильтровальных материалов.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области обработки воды, более точно к конструкции фильтра, позволяющего эффективно совмещать в одном сооружении процесс физико-химической очистки с применением коагулянта и глубокой доочистки, как для маломутных цветных вод из поверхностных источников в целях питьевого водоснабжения, так и для доочистки биологически очищенных сточных вод.

Уровень техники

Фильтрация воды является основным способом очистки воды. Фильтрующие материалы, применяемые для загрузки водоочистных фильтров, должны иметь определенные характеристики, поскольку от этого зависят грязеемкость фильтра (масса взвешенных веществ, задержанных за один фильтроцикл с единицы площади фильтра) и продолжительность фильтроцикла.

Важным является также плотность материала. От этого зависят необходимая интенсивность и максимально допустимая скорость фильтрования при восходящем движении воды.

Наиболее распространенный фильтрующий материал - кварцевый песок. Кроме песка используют материалы, которые получают дроблением пористых гранул заводского изготовления - дробленый керамзит и шунгизит, используют активированные угли заводского изготовления, дробленый антрацит и пр.

Материалы заводского изготовления, такие как активированные угли, эффективны в качестве загрузки очистных фильтров, однако имеют значительную стоимость. Поэтому для удешевления процессов фильтрации стараются использовать более дешевые местные фильтрующие материалы: горелые породы, вулканические шлаки, отходы металлургического производства и др.

Для глубокой очистки (доочистки) воды обычно применяют различные гранулированные угли, обладающие большой сорбционной емкостью и другие, сорбенты, выпускаемые в настоящее время заводским способом из различных природных материалов путем специальной обработки, такие как: «Сорбент АС», «Сорбент МС» и др.

Известным приемом в улучшении качества очистки воды является применение двухступенчатого фильтрования, которое, как правило, идет эффективнее в раздельных сооружениях, то есть фильтры с различным фильтрующим материалом располагаются последовательно. Однако данное конструктивное решение значительно удорожает процесс очистки по капитальным затратам.

Применение двухслойной загрузки позволяет снизить капитальные затраты на строительство, но имеет ряд недостатков по сравнению с раздельными сооружениями.

Известно техническое решение "Загрузка двухслойная для контактного фильтра КФ-2", предназначенная для получения питьевой воды (Справочник проектировщика "Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий" / Под ред. инженера И.А.Назарова, - М.: Стройиздат, 1977). Данная загрузка содержит слой кварцевого песка крупностью 0,7-1,5 мм и слой дробленого антрацита крупностью 0,8-1,8 мм.

Недостатком данной загрузки является то, что при ее использовании в контактных фильтрах мутность фильтрата на выходе составляет 1,5 мг/дм³, что при современной крайней изношенности водопроводных сетей является достаточно большой величиной.

Близким техническим решением является "Загрузка трехслойная для контактного фильтра КФ-5". Данная загрузка содержит кварцевый песок крупностью зерен 0,7-1,25 мм, аглопорит крупностью 1,25-2,3 мм и керамзит крупностью 2,3-3,3 мм (Справочник проектировщика "Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий" / Под ред. инженера И.Р.Назарова, - М.: Стройиздат, 1977).

Близким техническим решением также является изобретение: «Загрузка контактного осветлителя для очистки природных вод», по заявке: RU 2003112774, опубликована 27.11.2004. Изобретение относится к области подготовки воды для питьевых целей и может быть использовано на водопроводных очистных сооружениях, сооружениях для доочистки сточных вод и на других предприятиях коммунального хозяйства. Загрузка контактного фильтра содержит в качестве верхнего слоя фильтрующий сорбционный материал - опоки дробленые модифицированные марки ОДМ-2Ф с крупностью зерен 2,3-3,5 мм и плотностью 1,35 кг/м3, в качестве среднего слоя - дробленый антрацит крупностью зерен 1,5-2,3 мм и плотностью 1,6 кг/м3, и нижний слой - песок с крупностью зерен 0,7-1,5 мм и плотностью 2,6 кг/м3. Изобретение обеспечивает получение кондиционной питьевой воды с высокой производительностью.

Применение сорбционных фильтрующих материалов в качестве одного из слоев загрузки позволяет значительно повысить качество очищенной воды.

Сорбенты, имеющие развитую поверхность зерен загрузки, отличаются от традиционных фильтровальных материалов, таких как: песок, гранитная крошка, дробленый керамзит и др. меньшим удельным весом и вынуждены занимать место верхнего слоя при двухслойной загрузке фильтра, что влечет за собой их нерациональное использование, а именно:

- при направлении потока воды сверху вниз сорбенты несут основную грязевую нагрузку и не выполняют своего истинного назначения, предусматривающего доочистку воды от различных растворенных органических загрязнений;

- при направлении потока воды снизу вверх функциональность назначения слоев загрузки сохраняется, однако при обратной промывке, как и в первом случае, неизбежно загрязнение сорбционного материала промывными водами от нижнего слоя загрузки, что влечет за собой не только его преждевременный износ, но утрату сорбционных качеств;

- вследствие невозможности промывки каждого из слоев загрузки независимо друг от друга как по времени защитного действия каждого из слоев загрузки, так и по интенсивности потока промывной воды.

Применение плавающей загрузки из пенополистирола в практике водоочистки известно с 80-х годов прошлого столетия.

Использование пенополистирола в целях очистки природных вод для питьевого водоснабжения и для доочистки сточных вод достаточно изучено. (М.Г.Журба, «Очистка воды на зернистых фильтрах», Львов, «Вища школа», издательство при Львовском университете: ББК 38.761.2, 6С9.3, Ж91, УДК 631.672:628.33).

Предлагаемый вариант двухслойного напорного фильтра с направлением потока воды сверху вниз через слой плавающей загрузки из пенополистирола и сорбционный материал, объединяющий в одном сооружении контактный осветлитель и фильтр глубокой доочистки, предусматривает в своей конструкции возможность раздельной независимой промывки слоев загрузки и их выгодного расположения по функциональному назначению и гранулометрическому составу выбран за прототип.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является: повышение фильтрационной способности и увеличения срока использования сорбционного материала.

Техническим результатом является: снижение загрязнения сорбционного материала промывными водами от нижнего слоя загрузки.

Поставленная задача решена тем, что предлагается конструкция, представляющая собой двухслойный напорный фильтр для глубокой очистки воды, содержащий в одном корпусе по крайней мере одну группу камер для различных по свойствам фильтровальных материалов, камеру расширения загрузки для обратной промывки, дренажные колпачковые системы для подвода исходной воды, систему отвода фильтрата и промывной воды, при этом группа камер для различных по свойствам фильтровальных материалов состоит из верхней камеры, которая содержит слой фильтрующего материала, представляющего собой плавающую загрузку из пенополистирола и нижней камеры, содержащей фильтрующий слой - сорбционный материал тяжелее воды, при этом камера расширения загрузки для обратной промывки расположена между верхней и нижней камерами группы для различных по свойствам фильтровальных материалов.

Применение плавающей загрузки из пенополистирола в настоящем изобретении позволяет при контактной коагуляции с направлением потока исходной воды сверху вниз рационально использовать всю толщину слоя загрузки, которая при обратной промывке распределяется по своему фракционному составу: от крупных фракций к более мелким. Использование в качестве нижнего фильтрующего слоя сорбционного материала, а верхнего фильтрующего слоя пенополистирола позволяет осуществлять промывку каждого из слоев загрузки поочередно в противоположных направлениях потоком промывной воды, подаваемого в специально выделенную камеру для расширения загрузок, где обеспечивается 100% разделение фильтрующих материалов, вследствие их различного коэффициента плавучести и направленности потока промывной воды.

Система отвода фильтрата и промывных вод от каждого из слоев загрузки, как вариант, может представлять единую сборно-распределительную дренажную систему большого (- Ссылка на официальные документы, в которых встречается данный термин: - СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения», п.6.103.: «Трубчатые распределительные (дренажные) системы большого сопротивления следует принимать с выходом воды в поддерживающие слои (гравий или другие аналогичные материалы) или непосредственно в толщу фильтрующего слоя - Г.И.Николадзе, Москва, «Высшая школа», 1987 г., стр.236, Глава 12.8. Распределительные системы скорых фильтров (2 абзац): «СНиП 2.04.02-84 рекомендует применять распределительные системы большого сопротивления (трубчатые, колпачковые и в виде ложного дна), поскольку такие системы обеспечивают необходимую равномерность распределения промывной воды».) сопротивления, оснащенную дренажными колпачками, не позволяющими загрузочным материалам вымываться из корпуса фильтра при промывке.

Нижний фильтрующий слой из сорбционного материала, в качестве которого может использоваться гранулированный активированный уголь (ГАУ), используемый для глубокой доочистки воды от различных органических загрязнений, находится в сжатом состоянии и при промывке верхнего слоя загрузки из пенополистирола не загрязняется потоком промывной воды.

Верхний фильтрующий слой при промывке из пенополистирола не загрязняется промывными водами вследствие того, что он находится в сжатом состоянии обусловленным направлением потока промывной воды и плавучестью загрузочного материала.

Краткое описание чертежей

Нижеследующее подробное описание поясняется сопровождающимся чертежом:

На Фиг.1 - изображен пример условной схемы двухслойного напорного фильтра с трубопроводами обвязки в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.1 изображена условная схема двухслойного напорного фильтра с трубопроводами обвязки (a, b, c, d, i, j) и насосными станциями подачи исходной (6) и промывной воды (7), включающего в свой состав 5 камер одного диаметра (см. фигура 1). Камеры представляют собой отдельные детали корпуса фильтра, выполненные из нержавеющей стали и соединенные между собой фланцами с уплотнительными прокладками:

1. Камера 1 - для приема исходной и промывной воды для промывки верхнего слоя загрузки из пенополистирола,

2. Камера 2 - для размещения загрузки из пенополистирола, представляющей контактный осветлитель,

3. Камера 3 - камера промывки или камера для расширения загрузки.

4. Камера 4 - камера глубокой очистки воды с загрузкой из гранулированного активированного угля (ГАУ),

5. Камера 5 - камера сбора фильтрата и приема воды для промывки нижнего слоя загрузки из ГАУ.

Камеры (1) и (5) имеют одинаковые колпачковые дренажи большого сопротивления (9) распределенные по площади стальных перегородок на резьбовых соединениях, которые обеспечивают прохождение и равномерное распределение потоков исходной воды, фильтрата и промывной воды.

Камера (2) представляет собой выделенный объем в корпусе фильтра для размещения плавающей загрузки из пенополистирола, которая при подаче коагулянта (8) в трубопровод исходной воды (с) выполняет функцию контактного осветлителя. Фракционный состав загрузки 0,5-2,0 мм. Высота слоя - 2,0 м.

Камера промывки (3) предназначена для расширения загрузки при промывке и имеет распределительную систему (10) из труб, снабженных дренажными колпачками на резьбовых соединениях для равномерного сбора промывной воды по площади фильтра от каждого из слоев загрузки с последующим ее удалением из корпуса фильтра через отвод промывной воды (d). Плоскость расположения дренажных колпачков в камере промывки расположена таким образом, что обеспечивает расширение загрузки каждого слоя на 30%. Высота камеры промывки составляет 1,0 м.

Камера (4) представляет собой выделенный объем в корпусе фильтра для размещения сорбционной загрузки фракционным составом 0,6-2,4 мм и высотой слоя 1,5 м. В качестве сорбционного материала рекомендуется ГАУ.

Строительная высота фильтра не превышает 5 м.

Описание работы

Исходная вода подается насосной станцией (6) в камеру (1) по трубопроводу (с). Перед насосной станцией (6) вводятся рабочий раствор коагулянта (8). Дозирование коагулянта осуществляется пропорционально расходу воды от аналогового сигнала расходомера (12). Фильтрование производится сверху вниз. Верхний слой загрузки из пенополистирола, расположенный в камере контактного осветлителя (2) удерживается сверху перегородкой с дренажными колпачками (9). Для удаления воздуха из корпуса фильтра предусмотрен автоматический клапан (13).

Исходная вода в процессе контактной коагуляции освобождается от большинства загрязнений, которые равномерно распределяются по толщине загрузки из пенополистирола вследствие размещения зерен загрузки от более крупных фракций к более мелким фракциям по направлению движения потока воды. Обеспечение распределения фракционного состава загрузки осуществляется произвольно при каждой промывке фильтра. Рекомендуемая скорость фильтрования 5 м/ч, в форсированном режиме - 6 м/ч.

Очищенная вода с тем же направлением потока проходит транзитом через камеру промывки (3) и поступает на доочистку от растворенных органических загрязнений в камеру глубокой очистки с сорбционным слоем загрузки из ГАУ (4). Время контакта воды с ГАУ в рабочем режиме работы фильтра составляет 18 минут, в форсированном - 15 мин.

Фильтрат проходит через колпачковую дренажную систему камеры (5) и отводится из корпуса фильтра по трубопроводу (а) в резервуар чистой воды.

Время защитного действия загрузки (продолжительность фильтроцикла) обуславливается качеством исходной воды, причем для верхнего слоя, несущего основную грязевую нагрузку оно меньше, чем для сорбционного фильтра.

Для верхнего слоя загрузки продолжительность фильтроцикла может исчисляться от 8 до 24 часов и более, а для нижнего слоя - до нескольких суток.

Конструкция фильтра предусматривает раздельный режим промывки для каждого из слоев загрузки с различной интенсивностью:

- для пенополистирола: 12-14 л/с на м² (скорость потока промывной воды 43 м/ч), расширение загрузки - 25-30% (0,6 м для высоты слоя 2 м), продолжительность промывки 3-5 минут;

- для ГАУ: 10-12 л/с на м² (скорость потока промывной воды 36 м/ч), расширение загрузки - 25-30% (0,45 м для высоты слоя 1,5 м), продолжительность промывки 5-7 минут.

Время защитного действия загрузки определяется по качеству фильтрата и потерям напора, фиксируемыми по манометру (11) на линии подачи исходной воды. Интенсивность промывки обеспечивается насосной станцией (7) с частотным регулированием. Промывка осуществляется очищенной водой.

Положение запорной арматуры зависит от режимов работы примера фильтра, при этом могут быть следующие режимы работы:

1. Настройка рабочего режима:

- задвижки: 15; 16; 18 и 20 - закрыты;

- задвижки: 21 и 22 - закрыты при всех режимах работы фильтра;

- задвижки: 14; 17 и 19 - открыты;

- насосная станция подачи исходной воды (6) - включена;

- насосная станция подачи промывной воды (7) - отключена;

Направление потока исходной воды осуществляется по трубопроводу (d).

Проведение работ по настройке расхода исходной воды и подборке дозы коагулянта по контролю качества очищенной воды после контактного осветлителя. Нижний слой загрузки исключен из работы.

2. Рабочий режим:

- задвижки: 14; 16; 18 и 20 - закрыты;

- задвижки: 15; 17 и 19 - открыты;

- насосная станция подачи исходной воды (6) - включена;

- насосная станция подачи промывной воды (7) - отключена. Направление потока исходной воды осуществляется по трубопроводу (с). Отвод очищенной воды (фильтрата) производится по трубопроводу (а).

3. Режимы промывки фильтра:

3.1. Промывка верхнего слоя: задвижки: 15; 17; 18 и 19 - закрыты;

- задвижки: 14; 16; и 20 - открыты;

- насосная станция подачи исходной воды (6) - отключена;

- насосная станция подачи промывной воды (7) - включена.

Направление потока промывной воды осуществляется по трубопроводу (b). Отвод промывных вод - по трубопроводу (d).

3.2. Промывка нижнего слоя (ГАУ):

- задвижки: 15; 16; 17 и 19 - закрыты;

- задвижки: 14; 18 и 20 - открыты;

- насосная станция подачи исходной воды (6) - отключена;

- насосная станция подачи промывной воды (7) - включена. Направление потока промывной воды осуществляется по трубопроводам (b), (j), (a). Отвод промывных вод - по трубопроводу (d).

Удаление плавающей загрузки из пенополистирола предусмотрено совместно с потоком промывной воды в режиме по П. 3.1. при открытой задвижке (22) в технологическую емкость через специальный рукав.

Сорбционная загрузка удаляется после удаления плавающей загрузки и слива воды из системы через опорожняющий трубопровод (i) при открытой задвижке (21). Удаление загрузки осуществляется через вскрытое разгрузочное окно (23).

Замена загрузочных фильтровальных материалов осуществляется после закрытия разгрузочного окна (23) и задвижек (21) и (22). Фильтровальные материалы загружаются сверху в необходимом объеме через вскрытый верхний фланец камеры контактного осветлителя (2) в последовательности: ГАУ, пенополистирол.

Двухслойный напорный фильтр для глубокой очистки воды, содержащий в одном корпусе, по крайней мере, одну группу камер для различных по свойствам фильтровальных материалов, камеру расширения загрузки для обратной промывки, дренажные колпачковые системы для подвода исходной воды, систему отвода фильтрата и промывной воды, отличающийся тем, что группа камер для различных по свойствам фильтровальных материалов состоит из верхней камеры, которая содержит слой фильтрующего материала, представляющего собой плавающую загрузку из пенополистирола, и нижней камеры, содержащей фильтрующий слой - сорбционный материал тяжелее воды, при этом камера расширения загрузки для обратной промывки расположена между верхней и нижней камерами группы для различных по свойствам фильтровальных материалов.