Фильтрование с уменьшающейся по ходу потока скоростью

При таком способе очистки из-за более высокой скорости в первых слоях фильтрации загрязнения проникают глубже в загрузку, степень использования ее грязеемкости возрастает. Реализуется этот метод в фильтрах с увеличивающимся в направлении потока сечением с вертикальным или горизонтальным движением воды.

На рис.5.25 приведена установка осветления воды, в которой совмещены вертикальный отстойник и фильтр с уменьшающейся по ходу потока скоростью.

В фильтрах с горизонтальным потоком (радиальные фильтры) вода подается в большинстве решений в одной точке в центре аппарата и собирается по периферии

(рис.5.26) Внедрение этих решений затруднено необходимостью дополнительных дренажно-распределительных устройств для подачи и сбора воды, расположенных в толще фильтрующей загрузки. Во многих случаях - это жалюзийные решетки, надежная работа которых не всегда обеспечивается. Кроме того, в радиальных фильтрах, как правило, необходимо увеличивать высоту слоя загрузки над верхом вертикальных распределителей, чтобы не допустить перетока воды в надзагрузочном слое

В случае обычной водяной промывки радиальных фильтров из-за гидравлической сортировки загрузки по вертикали может происходить фильтрование с переменной по высоте скоростью: в нижних (крупных) слоях скорость будет большей, чем в верхних. Этот эффект устраняется при применении водовоздушной, эжекционной или чередующейся промывках.

Рис. 5.25 Комбинированный вертикальный отстойник – фильтр.

Рис.5.26 Схема радиального фильтра.

5.5.3 Фильтрование с уменьшающейся во времени скоростью.

Скорые фильтры традиционно эксплуатировались в режиме постоянной скорости фильтрования с использованием различных систем регулирования расхода воды. Отмечены недостатки способа: регуляторы скорости фильтрования часто выходят из строя, при дискретном регулировании расхода имеют место резкие повышения скорости, что отражается на качестве фильтрата

При работе фильтров с переменной скоростью подачу исходной воды осуществляют из общего трубопровода, расположенного ниже рабочего уровня воды в каждом фильтре, что делает их гидравлически взаимосвязанными: более чистые фильтры несут большую нагрузку.

По мерезаиления загрузки растет истинная скорость движения воды в порах; при постоянной производительности темп увеличения истинной скорости будет выше, чем при снижающейся. Можно ожидать улучшения качества фильтрата в этом случае.

Пропускная способность фильтра определяется располагаемым напором, т.е. разностью пьезометрических отметок до и после фильтра, и потерями напора в коммуникациях и загрузке фильтра. Пусть фильтр подключен к коллектору сырой воды (1) и фильтрата (2), к которым подключены и др. фильтры (рис.5.27). Пьезометрическая отметка в коллекторе фильтрата - определяется, главным образом, отметкой воды РЧВ, к которому подключен коллектор (2), а пьезометр в коллекторе сырой воды определяется работой НС-1 (или уровнями воды в предыдущих сооружениях). Таким образом, располагаемый напор не зависит от работы данного фильтра.

Рис.5.27

Располагаемый напор Н тратится на преодоление сопротивления в коммуникациях и в загрузке фильтра:

Н = h_тр.с. + h_тр.ф + h_др + h_ф,

где h_тр.с, h_тр.ф , h_др. , h_ф – потери напора соответственно в трубопроводах сырой воды и фильтрата, дренаже, фильтрующей загрузке.

Потери напора в коммуникациях и дренаже фильтра пропорциональны квадрату скорости фильтрования V², а в загрузке – V (закон Дарси при ламинарной фильтрации):

,

где a и b – коэффициенты сопротивлений коммуникаций и загрузки.

Если задвижки фильтров открыты полностью, то коэффициент а постоянен и зависит от диаметра труб, местных сопротивлений, размеров отверстий дренажа и т.п.

Коэффициент b для такой загрузки (определенного гранулометрического состава) зависит от ее пористости. При фильтровании пористость загрузки уменьшается за счет задержания загрязнений, поэтому коэффициент b возрастает. В результате V_ф понижается.

Таким образом, если задвижки фильтра полностью открыты, то скорость фильтрования V_ф со временем падает, а потери напора растут.

Для того, чтобы обеспечить постоянную V_ф, поступают следующим образом: в начале фильтроцикла задвижку фильтрата прикрывают, устанавливая заданную V₀, а затем, по мере загрязнения загрузки, открывают, компенсируя тем самым рост сопротивления загрузки.

Момент времени, когда суммарные потери напора в фильтре (h_к+ h₃) достигают предельного значения (Н), соответствует продолжительности фильтроцикла Т. Если фильтр не будет остановлен в момент времени Т, то скорость фильтрования резко уменьшится. Для обеспечения постоянной скорости фильтрования необходима установка регуляторов либо необходимо фильтры делать большей высоты, чем при установке регуляторов (~1,5-2,0 м), для обеспечения длительного фильтроцикла. Это увеличивает строительную стоимость фильтров.

При работе фильтров с переменной скоростью не требуется регулировка производительности. Поскольку все фильтры гидравлически связаны подающим трубопроводом, то происходит саморегулирование: на более чистые фильтры поступает большее количество воды. Таким образом, работа фильтров с падающей скоростью фильтрования требует меньших капиталовложений и проще в эксплуатации.

Сравним режимы работы фильтров с постоянной и переменной V_ф:

При постоянной V_ф «истинная» V в поровом пространстве со временем возрастает из-за сужения сечения каналов задержанными загрязнениями. Поэтому вероятность срыва уже задержанных загрязнений здесь выше, чем в режиме переменной V, где одновременно с ростом объема загрязнений снижается скорость. Таким образом, качество фильтрата стабильнее при переменной скорости.

С другой стороны, высокие начальные V_ф способствуют проскоку воды в фильтрат. Как показали специально проведенные в ОИСИ эксперименты, качество фильтрата при постоянной и переменной V оказалось весьма близким, однако, продолжительность фильтроцикла при переменной V оказалась большей.

Для эффективной эксплуатации станции с переменной скоростью требуется оптимизировать начальную и конечную скорости фильтрования. Начальную максимальную скорость фильтрации устанавливают экспериментально с учетом качества фильтрата и заданной производительности сооружения.

Отключение фильтра на промывку возможно по следующим показателям:

1) при достижении максимального допустимого уровня воды в фильтре или входном канале;

2) при минимальном уровне в резервуаре чистой воды;

3) при производительности фильтра – максимальной полезной или задаваемой, соответствующей минимуму эксплуатационных затрат.

Пo мере увеличения сопротивления загрузки данного фильтра его производительность падает, а соседних фильтров растет за счет перераспределения потока. При этом медленно повышается уровень воды на всех фильтрах (либо во входном канале) до максимально возможного, после чего фильтр с минимальной скоростью промывается.

На кафедре водоснабжения ОГАСА проведены исследования работы фильтров с падающей скоростью. Разработаны математические модели, позволяющие описывать процессы изменения скорости фильтрования, потери напора и качества фильтрата во времени. Для использования этих моделей необходимы данные о загрузке фильтра и качестве исходной воды. Можно решить следующие задачи:

- определить кинетические коэффициенты фильтрования α, β, γ, характеризующие свойства взвеси (прилипание и отрыв) и образующегося в порах загрузки осадка;

- рассчитать параметры работы фильтра (скорости, продолжительность цикла);

- оптимизировать работу фильтра по максимальной полезной производительности или минимальному расходу промывной воды.

Разработана программа решения этих задач на ПЭВМ. На рис. представлен ввод исходных данных и результаты расчета.

Ряд станций, запроектированных на режим работы с постоянной скоростью, много лет успешно эксплуатируются с переменной скоростью. К достоинствам этого метода относятся:

- простота обслуживания, отсутствие регуляторов;

- высокое качество фильтрата;

- лучшее использование располагаемого напора - большая производительность станции на единицу располагаемого напора.

Указанные преимущества позволяют при переходе на режим переменной скорости увеличить производительность станции без дополнительных капитальных вложений. Опыт эксплуатации показывает возможность увеличения полезной производительности на 5-12 %.

К недостаткам работы фильтров с уменьшающейся скоростью можно отнести опасность проскока взвеси в начале фильтроцикла при максимальной скорости фильтрации; на малых станциях может потребоваться увеличение запасных емкостей из-за колебаний расхода.