Рациональный способ регенерации двухслойных медленных фильтров систем водоснабжения сельских населённых пунктов

Васильченко, Аркадий Павлович

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Рациональный способ регенерации двухслойных медленных фильтров систем водоснабжения сельских населённых пунктов
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Рациональный способ регенерации двухслойных медленных фильтров систем водоснабжения сельских населённых пунктов"

На правах рукописи

Васильченко Аркадий Павлович

РАЦИОНАЛЬНЫЙ СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ДВУХСЛОЙНЫХ МЕДЛЕННЫХ ФИЛЬТРОВ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ

Специальность 06 01 02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2007

003070960

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном научном учреждении «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» (ФГНУ «РосНИИПМ»)

Научный руководитель -

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лозовой Валерий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Евгений Владимирович кандидат технических наук, доцент Иванова Мария Титовна

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Волгоградская государствен-

ная сельскохозяйственная академия»

Защита диссертации состоится 25 мая 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220 049 01 в ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу 346428, г Новочеркасск, Ростовской области, ул Пушкинская, 111 (ауд 339)

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научном отделе библиотеки ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» Автореферат размещен на сайте http //ngma-meh boom ru/aspirant htm

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета Автореферат разослан «23 » апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат сельскохозяйственных наук, у

профессор, Заслуженный мелиоратор РФ Г А Сенчуков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аюуальность проблемы. В России построены крупные групповые водопроводы, снабжающие централизовано водой питьевого качества большие сельскохозяйственные регионы страны Основное количество воды для этих нужд забирается из водохранилищ, наполняемых из оросительных каналов, качество воды в которых не соответствует требованиям современного стандарта Для очистки поверхностных вод в сельскохозяйственном водоснабжении в основном применяются безреагентные медленные фильтры, которые являются наиболее простыми и экологически безвредными и не требуют высококвалифицированного обслуживающего персонала В настоящее время в практике очистки вод используются, как правило, однослойные медленные фильтры, конструкция которых не обеспечивает получение необходимого количества фильтрованной воды, в связи с несовершенством как самих фильтров, так и гидромеханического оборудования для их регенерации Как показывают научные разработки, огромным резервом в повышении эффективности работы медленных фильтров является применение многослойных фильтрующих загрузок, взамен однослойных, используемых на практике Они позволяют резко увеличить скорость фильтрования и грязеемкость фильтров, а в конструктивном исполнении выполнить очистные сооружения с меньшей площадью камер фильтрования, с простым и менее металлоемким оборудованием для регенерации фильтров

Для эффективной работы медленных фильтров разработано несколько способов их регенерации, но они мало эффективны Так при механическом способе не исключена полная перемывка песка и большие тяговые сопротивления при передвижении механического рыхлителя, а при гидравлическом способе конструкция гидравлического рыхлителя громоздка и металлоемка и возникают большие сложности при подаче промывной воды

Учитывая все это, разработка новой конструкции безреагентного фильтра с использованием многослойной фильтрующей загрузки и создание необходи-

мых механизмов по регенерации таких фильтров является весьма актуальными

Цель работы - повышение качества работы медленных фильтров групповых водопроводов систем водоснабжения сельских населенных пунктов

Задачи исследований:

- изучение состояния вопроса безреагентной очистки поверхностных вод на групповых водопроводах в системах сельскохозяйственного водоснабжения,

- теоретическое обоснование условий регенерации двухслойного медленного фильтра гидравлическим способом в системах сельскохозяйственного водоснабжения,

- определение оптимального состава двухслойной загрузки в медленных фильтрах и технологические параметры ее регенерации в лабораторных условиях,

- улучшение конструкции гидравлического рыхлителя для двухслойной фильтрующей загрузки и исследование ее в лабораторных условиях,

- проверка предлагаемой конструкции фильтрующей загрузки и гидравлического рыхлителя в производственных условиях,

- определение технико-экономической эффективности использования предлагаемой конструкции двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством

Научная новизна работы:

- установлены оптимальные параметры режима взаимодействия струи с двухслойной загрузкой, при которых достигается максимальная эффективность регенерации,

- получены эмпирические зависимости для определения глубины и ширины зоны размыва двухслойной загрузки одиночной напорной струей,

- усовершенствован технологический процесс регенерации двухслойного медленного фильтра,

- определены зависимости для расчета элементов гидравлического рыхлителя и горизонтального смывного потока

Основные положения выносимые на защиту:

- усовершенствованный технологический процесс регенерации двухслойного медленного фильтра,

- результаты производственных испытаний работы двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством по основным производственным операциям,

- технико-экономическая эффективность использования предлагаемой конструкции двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством

Практическая значимость:

- разработанная конструкция гидравлического рыхлителя позволяет уменьшить длину промывных шлангов на 50 %, снизить вес рыхлителя на 2025 % и улучшить условия регенерации двухслойной загрузки

- предлагаемая конструкция двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством повышает производительность очистных сооружений в 2-2,5 раза и снижает эксплуатационные затраты на 1520 %, а также снижает площадь застройки в 1,5-2 раза

Внедрение предлагаемой конструкции двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством осуществлено на очистных сооружениях г Константиновска

Объект исследования - двухслойный медленный фильтр групповых водопроводов систем сельскохозяйственного водоснабжения с гидравлическим способом регенерации, а также конструктивные и технологические параметры промывного устройства

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых и сотрудников ФГНУ «РосНИИПМ» в г Новочеркасске в 2002-2006 г, а также на 2-ой Всероссийской конференции молодых ученых в ФГНУ ВНИИ «Радуга» г Коломна в 2005 г

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, одна из которых в издании рекомендованном ВАК

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и предложений производству Работа изложена на 215 страницах машинописного текста, в том числе 167 страниц основного текста и включает в себя 53 рисунка, 19 таблиц, 9 приложений, список использованной литературы состоит из 143 наименований, включая 6 иностранных источников

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы

В первой главе дан обзор состояния безреагентной очистки поверхностных вод на групповых водопроводах систем сельскохозяйственного водоснабжения с использованием медленных фильтров, способы регенерации этих фильтров и виды загрузок, используемых при безреагентном фильтровании, а также приведены цель и задачи исследований

Вопросы о фильтрации суспензий и кольматации песчаных грунтов впервые были поставлены учеными С В Избашем и А Н Патрашевым и получили дальнейшее теоретическое и практическое развитие в работах ДМ Минца, В А Клячко, Ю М Шехтмана, В Б Кленова, В С Оводова, П С Мирошниченко, В Н Лозового, И С Бабаева и других ученых применительно к фильтрам для очистки воды

За последние 40-50 лет у нас в стране проведены значительные исследования, направленные на усовершенствование конструкции и эксплуатации медленных фильтров Наиболее значительными исследованиями были проведен-

ные во ВНИИГиМе, НГМА, ФГНУ «РосНИИПМ»

В настоящее время в качестве зернистой загрузки водоочистных фильтров применяются пористые искусственные материалы, такие как керамзит, шунгизит, аглопорит и др Обладая большой межзерновой пористостью и развитой удельной поверхностью, эти материалы позволяют существенно улучшить технологические показатели работы водоочистных фильтров В последнее время в качестве загрузки верхнего слоя стали применятся новые фильтрующие материалы марок «Р1ЖОЬАТ-стандарт» и ОДМ-2Ф на основе природного минерального сырья

В практике по очистке воды известно несколько способов восстановления пропускной способности медленных фильтров, являющихся важнейшим процессом при эксплуатации безреагентных очистных сооружений К ним относятся ручной метод, полумеханизированный и механизированный, гидравлический способы, позволяющие облегчить или заменить ручной труд

Самым эффективным и надежным является гидравлический способ регенерации, заложенный в типовых проектах Однако после нескольких лет эксплуатации медленных фильтров с гидравлической регенерацией при использовании гидравлических рыхлителей с барабанами, был выявлен ряд недостатков таких рыхлителей

Это обстоятельство и дало основание автору диссертации разработать рациональный способ регенерации двухслойных медленных фильтров с усовершенствованным промывным устройством

Во второй главе даются теоретические и практические предпосылки регенерации двухслойных медленных фильтров гидравлическим способом

Гидравлический способ регенерации двухслойной загрузки должен обеспечивать одновременное осуществление трех процессов извлечение кольмати-рующих частиц из толщи фильтрующего слоя двухслойной загрузки, гидравлическую сортировку фильтрующего слоя с убывающей крупностью зерен загрузки, транспортировку вымытых загрязнений за пределы зоны фильтрования Первый и второй процессы осуществляются с помощью напорных водяных

(гидромониторных) струй, третий - с помощью горизонтального потока воды, движущегося по поверхности загрузки фильтра и смывающего отмытые загрязнения в канализацию

Законы взаимодействия напорной водяной струи с зернистой двухслойной загрузкой и закономерности, определяющие транспортирующую способность водного потока, составляют теоретическую основу исследования данного способа

В Н Лозовым была предложена схема (рис 1) для нахождения глубины зоны размыва песчаной загрузки

Предлагаемая схема для нахождения глубины зоны размыва двухслойной загрузки (ОДМ-2Ф+кв песок) представлена на рисунке 2

V УВ -уУВ

Применительно к рассматриваемому случаю (рис 2) в сечении у дна зоны размыва (Ь = И+Н, где Ь - расстояние от устья насадка до низа зоны размыва, м)

V, _(А + Д« н)2 Пч

Уср I Яо ] Ш

где ис - скорость истечения струи, м/с,

1>ср- скорость струи на конечном участке, равная неразмывающей скорости для данного типа грунта, м/с,

к - расстояние от устья насадка до поверхности двухслойной загрузки, м,

анс - коэффициент для напорной струи на участке чистой воды, Н - глубина зоны размыва, м

\ - расстояние от поверхности ОДМ-2Ф до верха песка, м,

- расстояние от верха песка до низа зоны размыва, м, /Знс- коэффициент для напорной струи на участке взвешенного

ОДМ-2Ф Яд - радиус устья насадка, м

Для определения коэффициентов анс и ¡Знс использовался метод граничных условий Если создать условия (рис 3), при которых напорная струя контактирует со слоем загрузки, но зоны размыва и взвешивания отсутствуют, то выражение (1) примет вид

2 _

1Л (анс 1г\ Я„ Ги7

р^НН' отсюда

Экспериментально было получено 20 значений анс при диаметрах устья насадка б, 8 и 10 мм Среднее значение анс= 0,0162=0,016.

При другом граничном условии (рис 4), когда насадок находится на поверхности ОДМ-2Ф, выражение (1) принимает вид

Ус А Рис Н\

отсюда (3)

Для такого граничного условия для определения Добыло проведено 18 опытов при тех же диаметрах насадков Среднее значение Д,с= 0,0563 = 0,056

При подстановке значений коэффициентов анс и Д,с в выражение (1) и после проведения соответствующих преобразований, Н будет равно

I 2 2

-0,179й + (|0,032/г2-1,25 0,0256/г2-10

Я=-?--^ ср

0,627 ' (4)

у УВ__УУВ

Рисунок 3 - Схема взаимодействия на- Рисунок 4 - Схема взаимодействия напорной струи с двухслойной загрузкой порной струи с двухслойной загрузкой на грани начала размыва при расположении устья насадка на

поверхности загрузки

Задаваясь значениями к, Ус и Д, можно легко определить глубину размыва двухслойной загрузки вертикальной несвободной струей Положительные корни уравнения (4) удовлетворяют опытным данным

Значение Я было подсчитано по формуле (4) для Я0= 3,4 и 5 мм, ис = 4,30-14,90 м/с и И = 0, 0,02 и 0,05 м Для определения точности подсчета по выражению (4) было проведено 162 опыта Точность составила в среднем 3,5 %, что является вполне удовлетворительным

Для определения расчетного расстояния между насадками в ряду, соответствующего ширине размыва двухслойной загрузки одиночной струей «Ь» были проведены исследования зависимости Ь= /(1>с, 1)н, с1н) Всего было проведено 54 опыта Опыты проводились с коническими насадками диаметром с1н = 6, 8, 10 мм Скорость струи изменялась от Ус = 4,30 до 14,90 м/с, скорость перемещения насадка 1>н= 0 м/с

Проведенный анализ зависимости Ъ= / (Ус, Ь>н, с1н) при Ун= 0 м/с, позволил получит формулы для определения ширины размыва двухслойной загрузки одиночной неподвижной струей

Для конического насадка диаметром б мм

Ъ =-0,0006 ис2 + 0,0234 ис +0,0118 Я2 = 0,97, (5)

Для конического насадка диаметром 8 мм

Ь = - 0,0008 ис 2 + 0,0271 Ус + 0,001 Я2 = 0,97, (6)

Для конического насадка диаметром 10 мм

Ъ = - 0,0007 Ус 2 + 0,0247 Ус + 0,0231 Я2 = 0,96, (7)

По этим формулам (5, 6, 7) может быть определена ширина размыва двухслойной загрузки, состоящей из ОДМ-2Ф и кварцевого песка, коническим насадком с диаметром йн= 6, 8,10 мм

Подсчет значений Ь по формулам (5, 6, 7), при скорости истечения струи 1>с = 4,30-14,90 м/с показал, что его точность в сравнении с опытными результатами составляет в среднем 2,8 %, что вполне удовлетворительно

Теория транспортирования взвешенных частиц водными потоками получила широкое развитие в Советском Союзе в связи с исследованием процессов в руслах рек, с изучением режимов наносов в ирригационных каналах, с развитием гидромеханизации, гидротранспорта и т д Большие заслуги в исследовании этого вопроса принадлежат советским ученым М А Великанову, В Н Гончарову, В В Пославскому, Е А Замарину, Г С Чекулаеву, А Г Хачатряну, СХ Абальянцу, ПВ Михеевуидр

В третьей главе представлена методика лабораторных исследований, а также приведены сами лабораторные исследования

Лабораторные исследования проводились для установления максимальной эффективности процесса регенерации путем определения оптимальных параметров режима взаимодействия струи и фильтрующей загрузки

Исследования проводились на модели безреагентного двухслойного медленного фильтра в лаборатории МВ и ОКВ ФГНУ «РосНИИПМ Изучались вопросы влияния типа гидравлических насадок на параметры регенерации двухслойной загрузки

Насадки были выполнены из полиэтилена в двух модификациях

- насадок конически сходящийся с центральным отверстием с?0= 6, 8, 10 мм,

- насадок конически сходящийся с боковыми прорезями шириной 3 мм на высоте 10, 20, 30 мм от нижнего торца насадка с эквивалентным диаметром соответственно с1экв - 14,0, 15,8, 17,6 мм

Для определения зависимости глубины Н и ширины Ъ зоны размыва двухслойной загрузки фильтра от скорости истечения струи Ус была проведена серия опытов с конически сходящимися насадками с центральным отверстием с/0= 6, 8, 10 мм Проведение серии опытов по размыву однослойной (ОДМ-2Ф) и двухслойной загрузок (ОДМ-2Ф + кв песок) стационарными насадками, позволило получить зависимость Н и Ъ от Ус Также была проведена серия опытов по определению глубины зоны размыва двухслойной загрузки при различной скорости перемещения насадка Ун

С целью увеличения ширины зоны размыва двухслойной фильтрующей загрузки применяли конически сходящиеся насадки с боковыми прорезями с с1экв= 14,0, 15,8 и 17,6 мм Для этих насадок была проведена серия опытов по изучению ширины зоны размыва двухслойной фильтрующей загрузки при заглублении насадка в загрузку на глубину И = 0,1 и 0,2 м Графики зависимости Ь = /(Ус) приведены на рисунке 6 Анализ графиков показал, что наибольшая ширина Ъ зоны размыва загрузки от Ус была у стационарного заглубленного конически сходящегося насадка с боковыми прорезями с <Лэкв - 17,6 мм при /г = 0,1 м

Проведенные исследования показали, что гидравлический способ регенерации позволяет произвести разделение слоев ОДМ-2Ф и кварцевого песка Причем процентное содержание ОДМ-2Ф в верхнем слое загрузке после регенерации зависит от интенсивности промывки, глубины погружения насадка, скорости перемещения насадка и скорости истечения струи Максимальный эффект по разделению слоев достигается при скорости перемещения насадка Ун - 0,01 м/с, скорости истечение струи Ус= 12,2 м/с и глубине заглубления насадка 0,1 м

Глубина погружения насадка в загрузку при <Лзкв = [4,0 мм

1 - /з=0 м Ъ = -0,0009 Ус2+0,0298 Уе+0,0163 Я2= 0,97,

2 - /1=0,1 м 6= -0,0005ие2+0,018б1;с+0,0617 Я2= 0,98,

3 - А=0,2 м А= -0,0008 Ус2+0,257 Ус+0,005

Я2= 0,97 Рс, м/с

Глубина погружения насадка в загрузку при г/3„ = 15,8 мм

1 - й=0 м 6= -0,0()12цЛ0,0368^+0,0011 Я2= 0,98,

2 - Л=0,1 м Ь= -0,0008УС2+0,0271»С+0,0238 Я2= 0,97,

3 - А =0,2 м 6= -0,0007ис2+0,0234ис +0,0298 И.2= 0,97

ис, м/с

Глубина погружения насадка в загрузку при с1э„ = 17,6 мм

1 - Л=0 м Ь= -0,0011 УС2+0,0356УС+0,0245 Я2= 0,98,

2 - /¡=0,1 м 6= -0,0012Ц„2+0,0359УС+0,0243 Я2= 0,97,

3 - Л=0,2 м Ь= -0,0008цЛо,02831^+0,0243 Я2= 0,97

12 15 Ч.м/С

-> и 7 и -С'-----

Рисунок 6 - Зависимость 6 двухслойной загрузки (средние значения) от Ос из стационарного заглубленного конически сходящегося насадка с боковыми прорезями (ОДМ-2Ф + кварцевый песок)

Была проведена серия опытов по определению эффекта регенерации двухслойной загрузки, после ее заиления Заиление проводилось илом из р Ак-сай Скорость фильтрования была 0,4-0,8 м/ч В первой части серии опытов изучался эффект регенерации в зависимости от скорости истечения струи 1>с и диаметра насадка с1н Ус задавалась от 6,04 до 13,6 м/с \)н принималась равной 0,01 м/с Скорость Ус = 12,2 м/с принята за оптимальную

Во второй части серии опытов изучался эффект регенерации в зависимости от скорости перемещения насадка V,, и диаметра насадка с1н Ь>н задавалась от 0,01-0,04 м/с ис назначалась равной 12,2 м/с Оптимальной скоростью перемещения насадка по результатам опытов является скорость Ун =0,01 м/с

На основании проведенного аналитического обзора и лабораторных исследований было усовершенствовано промывное устройство в виде гидравлического рыхлителя для регенерации медленных фильтров (рис 7)

ПромыЬная

3 - резинотканевый промывной рукав, 4 - система блоков, 5 и 6 - троса, 7 - электропривод с лебедкой, 8 - домкрат, 9 - оттяжной ролик

Рисунок 7 - Принципиальная схема гидрорыхлителя

В основу разработки конструкции промывного устройства положено авторское свидетельство №1611383 «Устройство для регенерации двухслойных фильтров», авторы В Н Лозовой, А А Сильченков и Р К Ким Данное промывное устройство установлено на очистных сооружениях города Константиновска Ростовской области, где и проводились его производственные испытания

В четвертой главе приведены производственные исследования двухслойного медленного фильтра по основным технологическим операциям полезному фильтрованию, регенерации и осветлительному созреванию двухслойной загрузки, а также дан расчет промывного устройства и горизонтального смывного потока

При изучении процесса полезного фильтрования двухслойного фильтра нами было проведено 3 серии опытов

В первой серии опытов исследования проводились на секции двухслойного медленного фильтра с толщиной загрузки 0,8 м (дробленый керамзит -0,3 м, кварцевый песок - 0,5 м) В секции фильтра был установлен разработанный гидравлический рыхлитель в количестве 3 штук Скорость фильтрования в первой серии опытов была 0,4 м/ч Было проведено 10 фильтроциклов При этом в период с 11 03 04 по 13 02 05 г мутность воды в р Дон колебалась в пределах от 22 до 120 мг/дм3 Как показали исследования осветление воды было весьмастабильным, и фильтрат имел мутность не превышающую 1,5 мг/дм3, то есть вода отвечала требованиям СанПиН 2 1 4 1074-01 («Питьевая вода»)

При гидравлической регенерации продолжительность фильтроцикла остается примерно одна и та же, а это значит, что нет постепенного накопления остаточных загрязнений в фильтрующей загрузке Накопление же этих загрязнений влечет за собой увеличение начальных потерь напора на фильтре При регенерации фильтра гидравлическим рыхлителем внутренняя загрязненность загрузки не увеличивается, а остается примерно одной и той же, не увеличиваются начальные и общие потери напора на фильтре, полезная грязеемкость загрузки также остается постоянной в каждом фильтроцикле

Во второй серии опытов, при скорости фильтрования 0,5 м/ч мутность водыр Дон была в пределах от 26 до 130 мг/дм3 В этой серии опытов было

проведено 7 фильтроциклов Опыты проводились с 05 03 05 по 09 07 05 г

Третья серия опытов проводилась с 09 07 05 по 25 10 05 г Было проведено 8 фильтроциклов Скорость фильтрования назначалась 0,6 м/ч Мутность воды р Дон была в пределах от 24 до 90 мг/дм3

Исследования показали, что с увеличении скорости фильтрования исходной воды до 0,6 м/ч мутность фильтрата остается неизменной и вполне удовлетворяет требованиям СанПиН 2 1 4 1074-01 «Питьевая вода» Увеличение же скорости фильтрования более 0,6 м/ч, приводит к резкому росту потерь напора и снижению продолжительности фильтроцикла Исследования проведенные в период полезного фильтрования позволили выявить зависимость грязеемкости загрузки фильтра от скорости фильтрования и мутности воды Зависимость позволила установить, что грязеемкость загрузки уменьшается с увеличением скорости фильтрования и уменьшением мутности исходной воды Так при скорости фильтрования 0,5 м/ч грязеемкость загрузки находится в пределах 9,411,9 кг/м2 С увеличением скорости фильтрования до 0,6 м/ч грязеемкость составляет уже 7,2-10,3 кг/м2 Такое уменьшение грязеемкости загрузки объясняется тем, что при увеличении скорости фильтрования, продолжительность фильтроцикла уменьшается, а это влияет на количество задержанных загрязнений На рисунке 8 показаны графики прироста потерь напора на фильтре в зависимости от мутности исходной воды и от скорости фильтрования

Процесс регенерации начинался тогда, когда потери напора на нём достигали 1,2-1,4 м Основной задачей регенерации было удаление загрязнений, задержанных фильтром в период полезного фильтрования Производственные исследования подтвердили лабораторные выводы, что при регенерации фильтра системой напорных несвободных водяных струй целесообразно использовать конически сходящиеся насадки с эквивалентным диаметром отверстий 17,6 мм, при скорости истечения струи из насадков, равной 12,2 м/с и скорости передвижения гидравлического рыхлителя 0,01 м/с При этом оптимальное расстояние между насадками рыхлителя составляет 0,15 м

л Я 1,4

° 1 2

си

3 2

& 1,0

•0«

2 0,8 о. о с

сЗ Я

В. 0,6

и н о С

0,4

0,2

0 / / р / 1 г

< / / ) < / 1 ; / 3

/ /' 1 / 1

/ ( / / У /

< / < /

/ ( / И 1

/ / ^ г

г ; И

/ ^=0,5 м/ч

АН 1,4

§ 1>-и

э |1,0

« 0,8 со

а, о в

са к

§.0,6 и н о 1=1

0,4

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 /

Продолжительность работы фильтра, сут -Л/= 32,2мг/дм3,--М-40,7 мг/дм3,

0,2

/ /

/ / 1

/ / А

Л А /

> г Л ? 52,0 мг/дм3

«56

М = 51,3 мг/дм3,-----М= 69,4 мг/дм3,

2 4 6 8 10 12 14 16 / Продолжительность работы фильтра, сут

- 1Л = 0,5 м/ч,--1Л = 0,6 м/ч

пф

------Л/= 128,2 мг/дм3

Рисунок 8 - Графики прироста потерь напора на фильтре в зависимости от мутности исходной воды и от скорости фильтрования

Проведенные исследования показали, что не следует сбрасывать объем водяной подушки, так как до 25-30 % загрязнении, задержанных фильтром за фильтроцикл, вымываются и сбрасываются в канализацию при полезном использовании объема водяной подушки при регенерации

Были проведены исследования с заглубленными насадками которые подтвердили вывод лабораторных испытаний тем, что при заглублении насадков на глубину 0,1 м происходит более качественная перемывка и сортировка загрузки, чем когда насадки находятся на поверхности загрузки

Продолжительность регенерации двухслойного медленного фильтра определялась по снижению количества взвешенных веществ в промывной воде Обобщенная кривая динамики изменения мутности промывной воды в период регенерации двухслойного медленного фильтра г Константиновска представлены на рисунке 9

Рисунок 9 - Обобщенная кривая динамики изменения мутности промывной воды в период регенерации двухслойного медленного фильтра г Константиновска

Как видно из рисунка 9, продолжительность регенерации системой напорных несвободных водяных струй с расходом через насадки 75 л/с, составляет 9600 с, то есть 160 минут, что соответствует 6 проходам рыхлителей

В период пуска фильтра в работу, а также после каждой его регенерации, определялся период осветлительного созревания загрузки, который, благодаря освобождению его от выполнения функций по обеззараживанию колебался в пределах от 20 до 60 минут График созревания фильтрующей загрузки представлен на рисунке 10 Объем фильтрата за период осветлительного созревания составляет весьма малую величину от общего объема воды, осветляемой на фильтре за один фильтроцикл Как показал опыт эксплуатации фильтра, не было случая, чтобы потребитель получал воду мутностью более 1,5 мг/дм3 По этому не следует сбрасывать первый фильтрат до осветлительного созревания в канализацию

§ 5 3

м 4 &

•4

•6< з

I2 £

\\ о \

\ \ \ ^

\ % < ч ^ \

к < к 41 \ < ч

СанПиН 2 1 4 1074-0N.

>__

0 5 10 15 20 25 30 35 40 Время созревания, мин

-3 фильтроцикл, V— 0,4 м/ч, М = 53,6 мг/дм', (серия №1)

Ф з

--4 фильтроцикл, ТА— 0,5 м/ч, М = 51,3 мг/дм, (серия №2)

ф з

-----------4 фильтроцикл, иф= 0,6 м/ч, М= 52,3 мг/дм, (серия №3)

Рисунок 10 - Созревание загрузки двухслойного медленного фильтра после гидравлической регенерации

При исследовании работы медленного фильтра, его бактерицидная эффективность после регенерации не определялась, т к регенерация медленного фильтра проводилась водой, которая бралась из резервуаров чистой воды

В пятой главе представлен расчет экономической эффективности от внедрения двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством Экономическая эффективность определялась путем сопоставления работы двух вариантов фильтров первого — однослойного медленного фильтра с устаревшим промывным устройством и второго — двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством Годовой экономический эффект от использования предлагаемой конструкции двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством на очистных сооружениях г Константиновска составил 8145,19 тыс рублей

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Анализ состояния безреагентной очистки поверхностных вод на групповых водопроводах систем сельскохозяйственного водоснабжения и способов регенерации медленных фильтров показал, что конструкция однослойных медленных фильтров не обеспечивает получение необходимого количества фильтровальной воды, в связи с несовершенном как самих фильтров, так и гидромеханического оборудования для их регенерации

2 Использование предложенной конструкции двухслойного медленного фильтра с усовершенствованной его регенерацией позволяет обеспечить потребителей сельскохозяйственного водоснабжения водой соответствующей требованиям СанПиН 2 1 4 1074-01 «Питьевая вода», то есть с мутностью воды менее 1,5 мг/л

3 Полученные эмпирические зависимости для определения глубины Н =/(ис, И, Я0) (4) и ширины Ъ = /(ис, с10) (5-7) зоны размыва двухслойной загрузки позволяют производить практические расчеты гидравлического рыхлителя при проектировании двухслойных медленных фильтров

4 Установлены условия фильтрации для двухслойной загрузки так при нормальном режиме скорость фильтрования 0>4 м/ч, при форсированном

V ,= 0,6 м/ч

5 Определены технологические параметры регенерации двухслойной фильтрующей загрузки медленного фильтра скорость перемещения насадка Ун = 0,01 м/с, скорость истечения струи Ус= 12,2 м/с и глубина заглубления насадка к = 0,1 м Такие параметры позволяют качественно промывать двухслойную загрузку на глубину 0,35-0,40 м

6 Разработанная конструкция гидравлического рыхлителя, исключает барабаны и предусматривает боковой подвод воды к рыхлителю, специальное приспособление для подъема промывных шлангов, насадки выполненные из полиэтилена и устройство винтового домкрата для вертикального перемещения рыхлителя, позволяет уменьшить длину промывных шлангов на 50 %, снизить вес рыхлителя на 20-25 % и улучшить условия регенерации двухслойной загрузки

7 Целесообразно движение гидравлического рыхлителя при промывки двухслойной загрузки медленного фильтра начинать одновременно с началом сброса водяной подушки, что улучшает качество регенерации фильтрующей загрузки и уменьшает на 20 % продолжительность регенерации

8 Применение предлагаемой конструкции двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством повышает производительность очистных сооружений в 2-2,5 раза и снижает эксплуатационные затраты на 15-20 %, а также снижает площадь застройки в 1,5-2 раза

9 Годовой экономический эффект от использования предлагаемой конструкции двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством на очистных сооружениях г Константиновска составил 8145,19 тыс рублей

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1 Скорость фильтрования двухслойного медленного фильтра рекомендуется принимать при нормальном режиме 1^ = 0,4 м/ч, при форсированном

и. = 0,6 м/ч

2 Регенерацию двухслойного медленного фильтра предлагается проводить конически сходящимся насадком с боковыми щелями и эквивалентным диаметром с1экв=\1,6 мм при оптимальных параметрах процесса регенерации скорости перемещения насадка Ун = 0,01 м/с, скорости истечения струи Ус-12,2 м/с и глубины заглубления насадка к = 0,1 м

3 Для улучшения качества регенерации фильтрующей загрузки и уменьшения продолжительность регенерации, движение гидравлического рыхлителя необходимо начинать одновременно с началом сброса водяной подушки

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Лозовой, В Н Исследование сорбционной емкости нового фильтрующего материала ОДМ-2Ф в статических и динамических условиях [Текст] / В Н Лозовой, А П Васильченко, Е Н Зуйкина и др // Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения Сб науч тр ФГНУ «РосНИ-ИПМ» В 2 ч /Подред ВН Щедрина - Новочеркасск, 2003 -Ч 1-С 150-160 (автор - 45 %)

2 Лозовой, В Н, Технология детоксикации воды от тяжелых металлов и других поллютантов с использованием новых фильтрующих и сорбционных материалов [Текст] / В Н Лозовой, А П Васильченко, Е Н Зуйкина и др // Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения Сб науч тр ФГНУ «РосНИИПМ» В 2 ч / Под ред В Н Щедрина - Новочеркасск, 2003 -Ч 1 - С 251-257 (автор - 50 %)

3 Васильченко, А П Сравнительная характеристика различных видов фильтрующих загрузок [Текст] / А П Васильченко, Е Н Зуйкина // Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения Сб науч тр ФГНУ «РосНИИПМ» В 2 ч / Под ред В Н Щедрина - Новочеркасск, 2003 -Ч. 1 - С 262-265 (автор - 70 %)

4 Лозовой, В Н Усовершенствованная конструкция промывного устройства [Текст] / В Н Лозовой, А П Васильченко, Е Н Зуйкина // Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения Сб науч тр

ФГНУ «РосНИИПМ» / Под ред В Н Щедрина - Новочеркасск, 2004 - С 42-45 (автор - 75%)

5 Лозовой, В Н Влияние конструктивных параметров гидравлического рыхлителя на качество регенерации двухслойного фильтра [Текст] / В Н Лозовой, А П Васильченко // Совершенствование технологий и техники орошения в современных условиях землепользования Сб науч тр ФГНУ «РосНИИПМ» / Под ред ВН Щедрина - Новочеркасск, 2005 - С 151-155 (автора - 80 %)

6 Лозовой, В Н Влияние технологических параметров гидравлического рыхлителя на характер гидравлической сортировки фильтрующей загрузки фильтров [Текст] / В Н Лозовой, А П Васильченко /У Совершенствование технологий и техники орошения в современных условиях землепользования Сб науч тр ФГНУ «РосНИИПМ» / Под ред В Н Щедрина - Новочеркасск, 2005 -С 155-159 (автор-80%)

7 Лозовой, В Н Существующие методы и средства восстановления водопроницаемости загрузки медленных фильтров [Текст] / В Н Лозовой,

А П Васильченко // Совершенствование технологий и техники орошения в современных условиях землепользования Сб науч тр ФГНУ «РосНИИПМ» / Под ред ВН Щедрина - Новочеркасск, 2005 - С 159-166 (автор - 80 %)

8 Лозовой, В Н Исследование эффекта регенерации фильтрующей загрузки в зависимости от скорости истечения струи, диаметра насадка и скорости его перемещения [Текст] / В Н Лозовой, А П Васильченко // Совершенствование технологий и техники орошения в современных условиях землепользования Сб науч тр ФГНУ «РосНИИПМ» / Под ред В Н Щедрина - Новочеркасск, 2005 -С 166-172 (автор-80%)

9 Лозовой, В Н Регенерация двухслойной фильтрующей загрузки системой напорных несвободных водяных струй [Текст] / В Н Лозовой, А П Васильченко // Мелиорация и водное хозяйство - 2006 - № 6 - С 26-27 (автор - 75 %)

Подписано в печать 19 04 2007 Тираж 100 экз Заказ № 67,

Типография НГМА, ул Пушкинская, 111, г Новочеркасск

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Васильченко, Аркадий Павлович

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Обзор состояния безреагентной очистки поверхностных вод на групповых водопроводах систем сельскохозяйственного водоснабжения

1.2 Способы регенерации медленных фильтров и пути их модернизации

1.3 Виды загрузок, используемые при безреагентном фильтровании

1.4 Цель и задачи исследований

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РЕГЕНЕРАЦИИ ДВУХСЛОЙНЫХ МЕДЛЕННЫХ ФИЛЬТРОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

2.1 Размыв и взвешивание двухслойной загрузки медленного фильтра вертикальной несвободной струей

2.2 Транспортирующая способность горизонтального смывного потока при регенерации двухслойного медленного фильтра

3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Задачи и методика исследований

3.2 Лабораторная установка и условия проведения исследований

3.3 Влияние скорости перемещения насадка и скорости истечения струи на величину зоны размыва двухслойной загрузки и характер ее гидравлической сортировки

3.4 Изучение эффекта регенерации в зависимости от скорости истечения струи, диаметра насадка и скорости его перемещения

3.5 Разработка конструкции промывного устройства для регенерации двухслойного медленного фильтра

Выводы

4 ИССЛЕДОВАНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ РАБОТЫ ДВУХСЛОЙНОГО МЕДЛЕННОГО ФИЛЬТРА, РЕГЕНЕРИРУЕМОГО ГИДРАВЛИЧЕСКИМ РЫХЛИТЕЛЕМ 105 4.1 Экспериментальный водопровод с двухслойным медленным фильтром на очистных сооружениях г. Константиновска

4.1.1 Источник водоснабжения

4.1.2 Общая схема сооружений водопровода

4.2 Методика проведения исследований

4.3 Технологический процесс работы двухслойного медленного фильтра

4.3.1 Период полезного фильтрования

4.3.2 Исследование процесса регенерации двухслойного медленного фильтра

4.3.3 Осветлительное созревание загрузки двухслойного медленного фильтра

4.4 Расчет промывного устройства и горизонтального смывного потока

Выводы

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ ДВУХСЛОЙНОГО МЕДЛЕННОГО ФИЛЬТРА С

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ ПРОМЫВНЫМ УСТРОЙСТВОМ

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Рациональный способ регенерации двухслойных медленных фильтров систем водоснабжения сельских населённых пунктов"

Актуальность проблемы. Очистка природных вод является одной из наиболее серьезных проблем водоснабжения. Необходимость ее возникла в прошлом веке в связи с резко возросшей потребностью в питьевой и промышленной воде и использованием для этих целей вод поверхностных источников [1].

В России построены крупные групповые водопроводы, снабжающие централизовано водой питьевого качества большие сельскохозяйственные регионы страны. Основное количество воды для этих нужд забирается из водохранилищ, наполняемых из оросительных каналов, качество воды в которых не соответствует требованиям современного стандарта [2, 3]. При очистке воды на таких водопроводах, как правило, применяются безреагентные медленные фильтры, которые являются наиболее простыми и экологически безвредными, а также не требуют высококвалифицированного обслуживающего персонала.

В настоящее время в практике очистки воды для сельских населенных пунктов используются, как правило, однослойные медленные фильтры, конструкция которых не обеспечивает получение необходимого количества фильтрованной воды, в связи с несовершенством, как самих фильтров, так и гидромеханического оборудования для их регенерации, что вызывает снижение грязеемкости загрузки из-за накопления остаточных загрязнений в ней и сокращения продолжительности периода полезного фильтрования. Все это затрудняет обеспечение всех потребителей питьевой водой в необходимом количестве и высокого качества. Кроме того медленные однослойные фильтры имеют большие капитальные затраты при их строительстве и занимают значительные площади ввиду малых скоростей фильтрования [4-6] И, как показывают научные разработки, огромным резервом в повышении эффективности работы медленных фильтров является применение многослойных фильтрующих загрузок взамен однослойных, используемых на практике.

Многослойные фильтрующие загрузки позволяют резко увеличить скорость фильтрования и грязеемкость фильтров, а в конструктивном исполнении выполнить очистные сооружения с меньшей площадью камер фильтрования, с простым и менее металлоемким оборудованием для их регенерации [7-10].

Медленные фильтры относятся к зернистым фильтрам, в которых в качестве фильтрующего материала применяется кварцевый песок. Однако истощение освоенных месторождений кварцевого песка и его низкие технологические показатели предопределяют поиск новых эффективных и промыш-ленно доступных фильтрующих материалов.

В настоящее время в качестве зернистой загрузки водоочистных фильтров применяют пористые искусственные материалы, такие как керамзит, шунгизит, аглопорит, шлаковая пемза и др. Обладая большой межзерновой пористостью и развитой удельной поверхностью, эти материалы позволяют существенно улучшить технологические показатели работы водоочистных фильтров.

Для эффективной работы медленных фильтров разработано несколько способов их регенерации, но они мало эффективны. Так при механическом способе не исключена полная перемывка песка и большие тяговые сопротивления при передвижении механического рыхлитель, а при гидравлическом способе конструкция гидравлического рыхлителя громоздка и металлоемка и возникают большие сложности при подаче промывной воды.

Учитывая все это, разработка новой конструкции безреагентного фильтра с использованием многослойной фильтрующей загрузки и создания необходимых механизмов по регенерации таких фильтров является весьма актуальным.

Цель работы - повышение качества работы медленных фильтров групповых водопроводов систем водоснабжения сельских населенных пунктов.

Задачи исследований:

- изучение состояния вопроса безреагентной очистки поверхностных вод на групповых водопроводах в системах сельскохозяйственного водоснабжения;

- теоретическое обоснование условий регенерации двухслойного медленного фильтра гидравлическим способом в системах сельскохозяйственного водоснабжения;

- определение оптимального состава двухслойной загрузки в медленных фильтрах и технологические параметры ее регенерации в лабораторных условиях;

- улучшение конструкции гидравлического рыхлителя для двухслойной фильтрующей загрузки и исследование ее в лабораторных условиях;

- проверка предлагаемой конструкции фильтрующей загрузки и гидравлического рыхлителя в производственных условиях;

Научная новизна работы:

- установлены оптимальные параметры режима взаимодействия струи с двухслойной загрузкой, при которых достигается максимальная эффективность регенерации;

- получены эмпирические зависимости для определения глубины и ширины зоны размыва двухслойной загрузки одиночной напорной струей;

- усовершенствован технологический процесс регенерации двухслойного медленного фильтра;

- определены зависимости для расчета элементов гидравлического рыхлителя и горизонтального смывного потока.

Основные положения выносимые на защиту:

- усовершенствованный технологический процесс регенерации двухслойного медленного фильтра,

- результаты производственных испытаний работы двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством по основным производственным операциям;

Практическая значимость:

- предлагаемая конструкция двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством повышает производительность очистных сооружений в 2-2,5 раза и снижает эксплуатационные затраты на 15-20 %, а также снижает площадь застройки в 1,5-2 раза.

Внедрение предлагаемой конструкции двухслойного медленного фильтра с усовершенствованным промывным устройством осуществлено на очистных сооружениях г. Константиновска.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых и сотрудников ФГНУ «РосНИИПМ» в г. Новочеркасске в 2002-2006 г., а также на 2-ой Всероссийской конференции молодых ученых в ФГНУ ВНИИ «Радуга» г. Коломна в 2005 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, одна из которых в издании рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и предложений производству. Работа изложена на 215 страницах машинописного текста, в том числе 167 страниц основного текста и включает в себя 53 рисунка, 19 таблиц, 9 приложений, список использованной литературы состоит из 143 наименований, включая 6 иностранных источников.

Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Васильченко, Аркадий Павлович

Выводы

1 Установлено влияние на глубину Н и ширину b зоны размыва двухслойной фильтрующей загрузки из материала ОДМ-2Ф и кварцевого песка скорости истечения воды из насадка Vc, скорости перемещения насадка VH и диаметра выходного отверстия насадка dQ.

2 Наибольшая ширина b зоны размыва двухслойной фильтрующей загрузки из материала ОДМ-2Ф и кварцевого песка получена при использовании конически сходящегося насадка с боковыми щелями с эквивалентным диаметром d3Ke=\7,6 мм при заглублении его на глубину h = 0,1 м.

3 Наименьшие тяговые сопротивления установлены при использовании конически сходящихся насадков с боковыми щелями при скорости перемещения промывного устройства 0,01м/с.

4 Определены технологические параметры регенерации двухслойной фильтрующей загрузки медленного фильтра: скорость перемещения насадка VH = 0,01 м/с, скорость истечения струи Vc= 12,2 м/с и глубина заглубления насадка h = 0,1 м. Такие параметры позволяют качественно промывать двухслойную фильтрующую загрузку на глубину 0,35-0,40 м.

5 По результатам лабораторных исследований и анализа существующих конструкций промывных устройств, для интенсификации регенерации двухслойных медленных фильтров разработана конструкция гидравлического рыхлителя.

6. Разработанная конструкция гидравлического рыхлителя, исключает барабаны и предусматривает боковой подвод воды к рыхлителю, специальное приспособление для подъема промывных шлангов, насадки выполненные из полиэтилена и устройство винтового домкрата для вертикального перемещения рыхлителя, позволяет уменьшить длину промывных шлангов на 50%, снизить вес рыхлителя на 20-25% и улучшить условия регенерации двухслойной загрузки.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ РАБОТЫ ДВУХСЛОЙНОГО МЕДЛЕННОГО ФИЛЬТРА, РЕГЕНЕРИРУЕМОГО ГИДРАВЛИЧЕСКИМ РЫХЛИТЕЛЕМ

4.1 Экспериментальный водопровод с двухслойным медленным фильтром на очистных сооружениях г. Константиновска

4.1.1 Источник водоснабжения

Источником водоснабжения г. Константиновска (Ростовская область) является протекающая в 700 метрах от х. Ведерники река Дон, вода которой пресная на вкус и имеет вполне удовлетворительные показатели по своему химическому составу. Река имеет постоянную проточность и в створе водозабора в межень ее расход составляет 400 м /с при средней глубине 4,55,0 метра и ширине 220-300 метров. Вода в р. Дон имеет колебания по 5 мутности от 22-150 мг/дм, что представляет практический интерес как объект исследований при работе очистных сооружений, так как ее показатели характерны для многих водных источников Юга России.

4.1.2 Общая схема сооружений водопровода

Вода для очистки забирается из р. Дон по двум водозаборам. На берегу реки в х. Ведерники размещена насосная станция I подъема. В здании насосной станции установлено 4 центробежных насоса марки ЭЦВ 12-160100 (3 рабочих, 1 резервный). От насосной станции до очистных сооружений уложен напорный трубопровод из двух ниток диаметром 410 мм.

В состав очистных сооружений входят: медленный двухслойный фильтр (рис. 42), насосная станция II подъема, хлораторная, химическая лаборатория.

Рисунок 42 - Двухслойный медленный фильтр

Сырая» вода поступает на двухслойный медленный фильтр с гидравлической регенерацией, где и проходит ее очистку. Перед медленным фильтром осуществляется ввод хлора с целью предупреждения развития бактериальной микрофлоры в толще загрузки. Окончательное обеззараживание проводится хлором перед резервуаром чистой воды.

Строительная часть медленного фильтра выполнена по проекту, разработанному ППК «Кристалл» при «СК Гипрокоммунводоканал» г. Ростов на Дону. Здание двухслойного медленного фильтра железобетонное, обсыпанное землей. В торце медленного двухслойного фильтра находится здание управления очистным сооружением, в котором размещена вся основная арматура фильтра. Медленный фильтр состоит из двух секций с размерами в осях 48x12 метров, каждая полезной площадью о

564 м . Каждая секция разделена продольной стенкой на две, шириной по 6 м. Скорость фильтрования принята при нормальном режиме - 0,4 м/ч, при форсированном - 0,6 м/ч. Регулирование скорости фильтрования автоматическое. Фильтрующая загрузка фильтра, состоящая из дробленого керамзита и кварцевого песка с общей толщиной слоев 0,8 м (высота дробленого керамзита - 0,3 м, кварцевого песка - 0,5 м), засыпается в основной отсек, образуемый двумя невысокими водонепроницаемыми стенками. Гранулометрический состав дробленого керамзита и кварцевого песка приведен в приложении Ж. Фильтрующий слой загрузки укладывается на поддерживающие слои гравия. Исследования проводились на одной из секций фильтра.

Далее очищенная вода поступает в резервуар чистой воды. Резервуар u о чистой воды имеет емкостью 3200 м . Из резервуара чистой воды вода по всасывающему трубопроводу поступает в насосную станцию II подъема. Насосная станция является объединенной для хозяйственно-противопожарных целей. Принятые насосы 1 Д 630-90а в количестве 4 шт. (2 рабочих и 2 резервных) (рис. 43) обеспечивают подачу расчетного расхода потребителям города с учетом пожаротушения. В насосной станции установлен насос марки К200-150-315 для подачи воды на регенерацию фильтра из резервуара чистой воды.

Рисунок 43 - Насосное оборудование на насосной станции II подъема

4.2 Методика проведения исследований

Работа двухслойного медленного фильтра изучалась по основным технологическим операциям:

1 Изучение процесса полезного фильтрования.

2 Исследование процесса регенерации, то есть восстановление первоначальных фильтрационных свойств двухслойной загрузки после ее заиления, с помощью гидравлического рыхлителя, при различных режимах и условиях его работы.

3 Изучение условий осветлительного созревания двухслойного фильтра после пуска его в работу.

Полезное фильтрование. Пуск фильтра в работу в режиме фильтрования производился при закрытых задвижках 16 и 18 и открытой задвижке 17 (рис. 44). Включался насос для подачи воды в камеру фильтра, и по трубопроводу «сырой» воды 12 заполнялась камера фильтра водой до отметки ГПФ (горизонт полезного фильтрования).

Отключался насос подачи «сырой» воды, и закрывалась задвижка 17. Постепенно, без рывка, открывалась задвижка 16 на трубопроводе 13 отвода фильтрата, и регулировалась скорость фильтрования в пределах 0,4-0,6 м/ч. При снижении слоя воды в камере на 0,2-0,3 м открывалась задвижка 17, и производилась подкачка «сырой» воды насосом до отметки ГПФ без перекрытия задвижки 16. Затем задвижка 17 регулировалась так, чтобы через нее проходил заданный расход «сырой» воды без переполнения камеры фильтра.

Скорость фильтрования в течение всего фильтроцикла поддерживалась постоянной.

Для определения глубины проникновения и характера распределения задержанных загрязнений отбирались пробы по всей толщине двухслойной загрузки после каждого фильтроцикла. Пробы, взятые с глубин 0-0,02; 0,020,05; 0,05-0,10; 0,10-0,20; 0,20-0,30; 0,30-0,40; 0,40-0,50 м высушивались до постоянного веса, взвешивались с точностью до 0,001 грамма, затем Z

19 6 на фильтрование и промывку в канализацию

I - корпус фильтра, 2 — карман, 3 — дробленый керамзит, 4 — канализационный трубопровод, 5 — невысокая стенка, 6 - кварцевый песок, 7 — пористые дренажные плиты, 8 - гидрорыхлитель, 9 - каретка, 10 — блок,

II — гибкий шланг, 12 - трубопровод «сырой воды», 13 - трубопровод чистой воды, 14 - привод гидрорыхлителя, 15 — плиты перекрытия, 16 - задвижка чистой воды, 17 — задвижка «сырой воды», 18 - задвижка канализационная, 19 — насадок.

Рисунок 44 — Схема двухслойного медленного фильтра (6x48 м) о чо отмывались водопроводной водой в специальных стаканчиках, высушивались в сушильном шкафу до постоянного веса и снова взвешивались. Количество загрязнений, определяемое как разность весов проб загрузки до и после отмывки, отнесенное к объему проб, представляло собой загрязненность загрузки. Пробы двухслойной загрузки отбирались в трех точках, равномерно размещенных по всей площади фильтра [133].

Объем проб, взятых с глубин 0-0,02; 0,02-0,05; 0,05-0,1; 0,1-0,2; 0,2-0,3 и т.д. составлял 70 см (объем бюкса) а объем проб, отобранных с вышележащих слоев, определялся как произведение площади пробоотборника и глубины взятия проб. Загрязненность загрузки позволяла определить ее грязеем-кость, т.е. количество загрязнений, задержанных единицей площади загрузки за фильтроцикл.

В процессе исследований ежедневно отбирались пробы воды до и после фильтрования для определения количества взвешенных веществ в воде. Мутность воды большой мутности определялась весовым способом по общеизвестной методике [133,134], а фильтрата на КФК-3.

Гидравлическая крупность взвеси, поступающей на фильтр в период полезного фильтрования и в период промывки фильтра определялась с помощью конусных цилиндров по методике, приведенной в книге B.C. Оводова [140]. Отбор проб из корпуса фильтра, для определения гидравлической крупности взвеси производился с помощью пробоотборника, а в период смыва и взмучивания загрязнений гидравлическим рыхлителем отбор проб производился на выходе канализационной трубы через определенные промежутки времени (в начала регенерации, через 1 минуту, 2, 5,10,20,40, 60 минут и т.д.).

По мере загрязнения фильтра растут потери напора в результате увеличения гидравлического сопротивления в фильтрующей загрузке. При достижении потери напора 1,2-1,4 м фильтр выключается из работы на промывку (регенерацию).

Регенерация. Она осуществлялась гидравлическим рыхлителем, представляющем собой систему насадков, создающих напорные несвободные водяные струи. В связи с тем, что медленный фильтр имел большую площадь и с целью создания более совершенной конструкции промывного устройства, нами использовалось три гидравлических рыхлителя, соединенных друг с другом шарнирно (рис. 44).

Для промывки медленного двухслойного фильтра закрывалась задвижка 16 на трубопроводе 13 фильтрата, открывалась канализационная задвижка 18. После сработки объема водяной подушки брались пробы в 9 точках по всей площади фильтра, для определения глубины проникновения загрязнений в двухслойную загрузку, а также для определения их количества. Затем включался промывной насос и подавалась вода в гидравлические рыхлители 8 по напорным шлангам 11 из резервуаров чистой воды. Включался привод (лебедка) 14. Электропривод рыхлителей представлен на рисунке 45.

Рисунок 45 - Электропривод рыхлителей

Насадки 19 рыхлителей с помощью винтовых домкратов располагались над поверхностью керамзита. После двух проходов гидравлических рыхлителей и разрушения слежавшейся верхней, наиболее загрязненной части загрузки, привод рыхлителей выключался, и насадки рыхлителей погружались в керамзит на глубину 0,1 м, опять включался привод рыхлителей, и осуществлялась более глубокая промывка и гидравлическая сортировка фильтрующей загрузки. В такой позиции рыхлители работали 4 прохода. Тяговые усилия, требуемые для перемещения рыхлителей с заглубленными насадками, определялись по динамометру, присоединенному к тяговому тросу.

За 6 проходов рыхлителя, фильтр практически полностью промывался от задержанных загрязнений на глубину 0,40-0,45 м, и происходила гидравлическая сортировка загрузки по высоте. Глубина проникновения напорной струи в толщу загрузки определялась при помощи специальной мерной рейки. Керамзит, как наиболее легкий фильтрующий материал, выносился струями воды на поверхность. Расход воды, подаваемый на рыхлитель, был в пределах 24-25 л/с. Суммарный расход воды, равный 72-75 л/с, подаваемый через рыхлители, обеспечивал также и транспортирующую способность потока для смыва загрязнений в канализацию. По расчетам, выполненным В.Н. Лозовым, если расход воды, подаваемый через рыхлители равен 9 л/с на 1 погонный метр, то горизонтальный смывной поток не требуется, т.к. при таких параметрах потока вполне обеспечивается транспортирующая способность горизонтального смывного потока.

Напор струй рыхлителей определялся с помощью манометров, установленных на гибких шлангах, подводящих воду к рыхлителям.

По окончании промывки фильтрующей загрузки двухслойного медленного фильтра выключался привод 14 гидравлических рыхлителей, с помощью винтового домкрата рыхлители поднимались вверх так, чтобы насадки 19 располагались над поверхностью загрузки на расстоянии 0,02-0,03 м, и выключался промывной насос. Эта операция выполнялась так для того, чтобы отверстия насадков гидравлического рыхлителя не забивались зернами керамзита в результате подсоса их в насадки в момент остановки насоса. Затем закрывалась задвижка 18 на канализационном трубопроводе 4, секция фильтра наполнялась водой до отметки ГПФ, и начинался очередной период полезного фильтрования.

Осветлительное созревание двухслойного фильтра. После каждой регенерации в момент пуска двухслойного фильтрата в работу, определялся период осветлительного созревания двухслойной загрузки. Он необходим для того, чтобы мутность фильтрата снизилась до норм СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода», то есть до 1,5 мг/дм , так как в начале полезного фильтрования происходит небольшой вынос частиц взвеси через двухслойную загрузку. В процессе проведения исследований определялись периоды осветлительного созревания для различных скоростей фильтрования (от 0,4 до 0,6 м/ч), путем отбора проб воды на выходе дренажной трубы фильтра через определенные промежутки времени (через 1 минуту, а затем через каждые 5 минут в течение часа) с последующим определением ее мутности.

4.3 Технологический процесс работы двухслойного медленного фильтра

Как было уже сказано, полный фильтроцикл двухслойного медленного фильтра складывается из трех основных технологических операций: полезного фильтрования, восстановления первоначальных фильтрационных свойств двухслойной загрузки после ее заиления (регенерации) и процесса осветлительного созревания двухслойного фильтра после пуска его в работу. Отсюда, продолжительность фильтроцикла равняется:

Тф='пф+*Р+*с> С35) где ^ - продолжительность полезного фильтрования, час; tp - продолжительность регенерации, час; tc - продолжительность созревания, час.

Причем, чем больше t^ при одних и тех же значениях скорости фильтрования и чем меньше tp и tc, тем с большей полезной отдачей работает фильтр.

4.3.1 Период полезного фильтрования

Исследования проводились на одной секции двухслойного медленного фильтра с толщиной загрузки 0,8 м (дробленый керамзит - 0,3 м, кварцевый песок - 0,5 м). В секции фильтра был установлен разработанный гидравлический рыхлитель в количестве 3 штук (рис. 46). Скорость фильтрования устанавливалась 0,4, 0,5 и 0,6 м/ч. При скорости фильтрования 0,4 м/ч. было проведено 10 фильтроциклов. При этом в период с 11.03.04 по 13.02.05г.(серия № 1) мутность воды в р. Дон колебалась в пределах от 22 до 120 мг/дм3.

Рисунок 46 - Секция с гидравлическими рыхлителями

Изменение мутности донской воды в процессе исследований приведена в таблице 9.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Васильченко, Аркадий Павлович, Новочеркасск

1. Обводнение и с.-х. водоснабжение. М., 1968.- 10-20. 57 А.с. 1681

2. Прибор для промывания сыпучих материалов в фильтрах [Текст] В.В. Хованский; 1912. 68 Mechanization of slow-sand-filter bed cleaning. Engineer, [Текст] London, 1954, p. 197-213. 69 Slow sand filters. A series of articles on Operation and Maintenance of the smaller water works Plant [Текст]. Water Works Engineering, 1945, Vol. 98, No. 14. p. 786-804.

Информация о работе

Васильченко, Аркадий Павлович
кандидата технических наук
Новочеркасск, 2007
ВАК 06.01.02

Диссертация

Рациональный способ регенерации двухслойных медленных фильтров систем водоснабжения сельских населённых пунктов - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы