Проектирование сооружений основной технологии

 

Скорые фильтры

Расчет скорых фильтров (Ф) производится на полезную производительность станции, которая составляет Q = 20500 м³/сут.

Для получения воды питьевого качества принимаются однослойные, скорые фильтры с промывкой водой, загруженные кварцевым песком со следующими параметрами (табл.21 [1]):

 

Характеристика фильтрующего слоя
Материал загрузки	Диаметр зерен, мм			Коэф-т неоднородности загрузки	Высота слоя, м	Скорость фильтрования
	наимень ших	наиболь ших	эквивалентный			Нормальный режим	Форсирован. Режим
Кварцевый песок	0,7	1,6	0,8-1	1,6-1,8	1.5	6,0	7,2

 

Дренаж выполняется трубчатым с отверстиями диаметром 10 мм.

Высота поддерживающих слоев принимается 0,45м (табл.22 [1]).

Промывка фильтров осуществляется водой с интенсивностью i = 15 л/с × м² (табл.23[1]), продолжительность промывки – t ₁ =  6 минут (0,10 ч), относительное расширение загрузки – 30%.

Общая площадь фильтрования определяется по формуле 18 [1]

 

F _ф = Q / (T _ст v _н – n _пр q _п  – n _пр t _пр v _н),

 

где Q – полезная производительность станции, Q = 20500 м³/сут;

  T _ст – продолжительность работы станции в течение суток, T _ст = 24 ч;

  v _н – расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме, v_н = 6 м/ч;

  n _пр – число промывок одного фильтра в сутки, n _пр = 2;

  q _пр – удельный расход воды на одну промывку одного фильтра,

q _пр = i · t ₁ · 3.6 = 15 × 0.1 × 3.6 = 5.4 м³/м²;

 

t _пр – время простоя фильтра в связи с промывкой, принимаемое для фильтров, промываемых водой – 0.33 ч.

 

F _ф = 20500 / (24 × 6 – 2 × 5.4 – 2 × 0.33 × 6) = 159 м².

 

В соответствии с рекомендациями п. 6.99 [1] количество фильтров определяется из выражения

N _ф = 0.5 (F _ф)^1/2 = 0.5 (159)^1/2 = 6.3

К установке принимается 7 фильтров.

Проверяется величина форсированной скорости фильтрования v _ф из условия

 

v _ф = v _н N _ф /(N _ф – N ₁) ≤ 1.2 v _н,

 

где N ₁ – число фильтров, находящихся в ремонте, при N _ф < 20, N ₁ = 1.

 

V _ф = 6 · 7 / (7 – 1) = 7 м/ч, это меньше 1.2 · 6 = 7.2 м/ч, что говорит о соблюдении необходимого условия.

Площадь одного фильтра равна

F _1ф = F _ф / 7 = 159 / 7 = 23.7 м².

В соответствии с площадью фильтрования принимается конструктивная схема фильтра с выносным коллектором размерами в плане 6.0 ´ 6.0 м, площадью фильтрования 27.0 м² (см. Рис. 3.2.14).

Расход воды на промывку фильтра определяется из выражения

Q_пр = 15 × 27 = 405 л/с или 405 × 3.6 = 1460 м³/ч

Объем воды на промывку одного фильтра равен

W _1ф  = Q _пр · t ₁ = 1460 × 0.1 = 146 м³.

Суточный расход воды на промывку всех фильтров составляет

W _сут = W _1ф · N _ф × n _пр = 146 × 8 × 2 = 2336 м³.

Насосы для промывки фильтров: Q_пр = 1460 м³/ч; Н = 12-15 м. К установке принимается 2 рабочих и 1 резервный насосы марки 1Д1250-63 с частотой вращения вала 980 1/мин.

Определение диаметров технологических трубопроводов:

– подача исходной воды на ВОС – q = 21320/ 24 × 3.6 = 247 л/с,

D =500 мм, V = 1.08 м/с;

– подача исходной воды (отвод фильтрата и 1-го фильтрата) в каждый фильтр – q ₁ = 247 / 7 = 35.3 л/с, D = 200 мм, V = 1.03 м/с;

– подача и отвод промывной воды q ₂ = 405 л/с, D = 700 мм, V = 1.03 м/с.

Расчет дренажа

Дренаж состоит из коллектора и ответвлений в виде перфорированных распределительных труб с отверстиями диаметром 10 мм. При расстоянии между ответвлениями 300 мм и длине фильтра в чистоте 5800 мм количество труб составит

N ₁ = 5800/300 = 19.

Расход промывной воды на одно ответвление

q _о = 0,405/19 = 0,0213 м³/с.

Ответвления выполняются из стальных труб диаметром 125 мм, при этом скорость в начале трубы составляет 1,55 м/с. 

Общая длина ответвлений L = l _o · 19 = 4,6 · 19 = 87,4 м,

где l _o – длина ответвления, по конструктивным размерам фильтра l _o = 4,6 м.

         Общая площадь отверстий в ответвлениях в соответствии с рекомендациями п. 6.105. [1] принимается 0,3 % рабочей площади фильтра, что составляет F _о = 0,003 · 27 = 0.081 м².

Тогда количество отверстий диаметром 10 мм с площадью f = 0,0000785 м² равно N ₂ = F _о/ f = 0.081/0,0000785 = 1032 шт.

Соответственно шаг между отверстиями составит

l = L / N ₂ = 87,4/1032 = 0,085 м.

 

Расчет верхней распределительной системы

 

Количество желобов при допустимом расстоянии между ними не более 2,2 м N _ж = 5,8/2,2 = 2,64, принимается 3.

Расход промывной воды на один желоб

 

q _ж = 0,405/3 = 0,135 м³/с.

Ширина желоба с полукруглым лотком

В_ж = 2·(0,135²/(1,57+1,5))^1/5 =0,72 м.

Расстояние от поверхности фильтрующей загрузки до кромок желобов

Н _ж = 1,5·30/100 + 0,3 = 0,75 м.

Расстояние от дна желоба до дна канала при ширине канала 0,9 м

Н _кан = 1,73·(0,405²/9,81 · 0,9²)^1/3+ 0,2 = 0,82 м.

Строительная высота фильтра Н _ф определяется как
сумма высот               

Н _ф = d _к + Н _пс + Н _з +2,0+ 0,5 = 0,7+ 0,45+1,5 + 2,0 + 0,5=5,15 м.

 

Контактные префильтры

 

Расчет контактных префильтров (КПФ) производится с учетом расхода воды на промывку фильтров, то есть расчетная производительность КПФ составляет

Q _кпф = Q + W _сут= 20500 + 2336 = 23836 м³/сут

К проектированию принимаются КПФ с водовоздушной промывкой (по схеме КО-3) с загрузкой из кварцевого песка со следующими параметрами (п. 6.142 [1]):

 

Характеристика фильтрующего слоя
Материал загрузки	Диаметр зерен, мм			Коэф-т неоднородности загрузки	Высота слоя, м	Скорость фильтрования
	наименьших	наиболь ших	эквивалентный			Нормальный режим	Форсирован. режим
Кварцевый песок	1.0	2.0	1.1-1.3	1,6-1,8	2.3	6,0	7.2

 

Дренаж выполняется трубчатым с отверстиями диаметром 10 мм. Высота поддерживающих слоев принимается 0.7 м. В связи с наличием второй ступени осветления на фильтрах сброс первого фильтрата у КПФ не предусматривается.

Промывка КПФ осуществляется в 3 этапа:

1 этап – взрыхление загрузки воздухом с интенсивностью 20 л/с × м²

(п. 6.133 [1]) в течение 2 мин;

2 этап – совместная водовоздушная промывка при подаче воздуха с интенсивностью 20 л/с × м²  и воды i ₁ = 3.5 л/с × м² в течение t ₁ = 6 мин;

3 этап – промывка водой с интенсивностью i ₂ = 7.0 л/с × м² в течение 6 мин;

Общая площадь фильтрования определяется по формуле 27 [1]

 

F _ф = Q _кпф / [ T _ст v _н – n _пр (q _пр + t _пр v _н)],

 

где Q _кпф – расчетная производительность КПФ, Q _кпф = 23836 м³/сут;

   T _ст – продолжительность работы станции в течение суток, T _ст = 24 ч;

   v _н – расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме, v _н = 6 м/ч;

   n _пр – число промывок одного фильтра в сутки, n _пр = 2;

   q _пр – удельный расход воды на одну промывку одного КПФ,

q _пр = (i ₁ + i ₂) · t ₁ · 3.6 / 60 = (3.5 + 7.0) 6 × 3.6 / 60 = 3.78 м³/м²;

t _пр – время простоя фильтра в связи с промывкой, принимаемое для КПФ с водовоздушной промывкой – 0.5 ч;

 

F_ф = 23836 / [24 ×6 – 2 (3.78 + 0.5 × 6)] = 174 м².

 

В соответствии с рекомендациями п. 6.99 [1] количество КПФ определяется из выражения

N _кпф = 0.5 (F _ф)^1/2 = 0.5 (174)^1/2 = 6.6

К установке принимается 7 КПФ.

Проверяется величина форсированной скорости фильтрования v _ф из условия

 

v _ф = v _н N _ф /(N _ф – N ₁) ≤ 1.2 v _н,

 

где N ₁ – число фильтров, находящихся в ремонте, при N _ф < 20, N ₁ = 1.

 

v _ф = 6 · 7 / (7 – 1) = 7 м/ч, это меньше 1.2 · 6 = 7.2 м/ч, что говорит о соблюдении необходимого условия.

Площадь одного КПФ равна

F _1кпф = F _ф / 7 = 174 / 7 = 25.0 м².

В соответствии с площадью фильтрования принимается конструктивная схема КПФ с выносным коллектором размерами в плане 6.0 ´ 6.0 м, с площадью фильтрования 27.0 м².

Расход воды на промывку КПФ при водяной отмывке определяется из выражения

Q _пр = 7.0 × 27.0 = 189 л/с или 189 × 3.6 = 681 м³/ч

Объем воды на промывку одного КПФ равен

W _1кпф  = q _пр   F _1кпф = 3.78 · 27 = 102 м³.

Суточный расход воды на промывку всех КПФ составляет

W _{сут.кпф} = W _1кпф N _кпф × n _пр = 102 × 7 × 2 = 1428 м³.

Насосы для промывки КПФ: Q _пр = 681 м³/ч; Н = 12-15 м. К установке принимается 2 рабочих и 1 резервный насосы марки К200-150-250 с частотой вращения вала 1450 1/мин.

Воздуходувки для промывки КПФ: Q _пр.воз = 20 · 27 · 60 / 1000 = 32.4 м³/мин.

К установке принимается 1 рабочая и 1 резервная воздуходувки марки ВК-50.

Определение диаметров технологических трубопроводов:

- подача исходной воды и отвод фильтрата от каждого КПФ – q ₁ = 247 / 7 = 35.3 л/с, D = 200 мм, V = 1.03 м/с;

- подача и отвод промывной воды q _пр = 189 л/с, D = 500 мм, V = 0.90 м/с;

- подача воздуха q _пр.воз = 20 · 27 = 540 л/с, D = 200 мм, V = 15.7 м/с;

- опорожнение КПФ – D = 150 мм.

 

        

 

                                                                           

Рис. 3.19. Контактный префильтр с водовоздушной промывкой

1 – коллектор водяного дренажа; 2 – дырчатые распределительные трубы водяного дренажа; 3 – поддерживающий гравийный слой; 4 – фильтрующая загрузка; 5 – водосливная стенка; 6 – канал; 7 – струенаправляющий выступ; 8 - дырчатые распределительные трубы воздушного дренажа; 9 – подача исходной воды в КПФ; 10 – отвод фильтрованной воды; 11 – подача промывной воды; 12 – отвод промывной воды; 13 – опорожнение КПФ; 14 – коллектор исходной воды; 15 – коллектор фильтрованной воды; 16 – коллектор подачи воды на промывку; 17 – коллектор отвода промывной воды; 18 – подача сжатого воздуха

 

Барабанные сетки

 

Барабанные сетки устанавливаются для защиты дренажа и фильтрующей загрузки КПФ от крупных примесей. В соответствии с расчетной суточной производительностью к установке принимаются 2 рабочих и 1 резервная барабанные сетки БС 1.5×2 производительностью 20000 м³/сут каждая. Сетки устанавливаются в железобетонных камерах с общим каналом фильтрованной воды. Общий размер сеточных камер принимается 4.5 × 9.0 м, ширина каждой камеры – 3.0 м. Подача исходной воды к сеткам осуществляется напорными трубопроводами диаметром 400 мм.

Промывка барабанных сеток осуществляется автоматически в зависимости от перепада уровня воды в камерах до сетки и после нее. Производительность промывного насоса БС определяется из выражения Q _пр.н = 0.003 · Q = 0.003 ·20000 = 60 м³/ч. К установке принимается 1 рабочий и 1 резервный насосы К100-80-125, обеспечивающие подачу этого количества воды при напоре 20 м. Барабанные сетки промываются водой из резервуара для промывки КПФ.

 

Контактный резервуар

Контактный резервуар обеспечивает интервал времени равный 2-3 мин между вводом первичного хлора и последующих реагентов (щелочи и коагулянта).

 

Необходимая вместимость контактного резервуара при 3-х минутном пребывании воды составит

= 45 м³.

 

Контактный резервуар состоит из двух параллельно работающих отделений, с вертикальными перегородками, создающими при движении воды поворот на 180°. Располагается резервуар под камерой барабанных сеток. Размеры контактного резервуара в плане 3.0 × 4.5 м, высотой 4.8 м. Полный объем 46.0 м³.

 

Диаметр трубопроводов, подводящих воду к каждому отделению контактного резервуара, принят 400 мм. Отвод воды из контактного резервуара осуществляется такими же трубами. Контактный резервуар оборудуется переливной трубой d_y = 400 мм и обводной линией d_y = 500 мм. Для опорожнения предусматривается выпуск d_y = 200 мм.

 

       

Смесительные устройства

 

Смесительные устройства включают устройства ввода реагента, обеспечивающие равномерное распределение реагентов в трубопроводе или канале подачи воды в смесители, и собственно смесители, обеспечивающие последующее интенсивное смешение реагентов с обрабатываемой водой. При обработке воды несколькими реагентами и необходимости соблюдения интервалов времени между их введением проектируется комплекс последовательно функционирующих смесителей и емкостей, обеспечивающих требуемую продолжительность контакта каждого реагента с водой. Число смесительных устройств (секций) принимается не менее двух с возможностью отключения любого из них при технологической необходимости.

 

Вихревые смесители

 

Вихревой смеситель представляет собой конический или пирамидальный вертикальный диффузор с углом между наклонными стенками a = 30 – 45°, заканчивающийся верхней частью с вертикальными стенками, высотой от 1,0 до 1,5 м. Вихревые смесители хорошо работают при смешении с водой суспензий реагентов. Поэтому в настоящем проекте вихревые смесители применены для смешения с водой известковой суспензии. Размеры смесителей в плане должны соответствовать строительному модулю 3 м (допускается 1.5 м) для квадратных смесителей и 1 м для круглых.

Расход воды, поступающей в вихревые смесители, при повторном использовании промывных вод КПФ, Ф и барабанных сеток составит

 

Q _см = Q + Q _пр.кпф + Q _пр.ф + Q _пр.бс,

 

где Q – полезная производительность сооружений, м³/сут, Q = 20500;

Q _пр.кпф – расход воды на промывку КПФ, м³/сут, Q _пр.кпф = 1428;

Q _пр.ф – расход воды на промывку Ф, м³/сут, Q _{пр. ф} = 2336;

Q _пр.бс – расход воды на промывку барабанных сеток, м³/сут, Q _пр.бс = 0.005· Q =

= 0.005 · 20500 = 123,

 

Q _см = 20500 + 1428 + 2336 + 123 = 24387 м³/сут.

 

Соответственно расчетный секудный расход воды, поступающий в смесители равен

 

q _см = Q _см /24 · 3600 = 24387 /24 · 3600 = 0.282 м³/с.

 

Подбор смесителей, соответствующих модульным строительным размерам, осуществляется с использованием рекомендаций, приведенных на рис.

 

 

Рис. 9. Смеситель вихревой

 

По таблице принимается к установке 3 круглых смесителя диаметром 2 м. Высота верхней части с вертикальными стенками  составляет 1,5 м. При угле конусности a = 30° высота диффузора

 

 

,

где – диаметр смесителя, = 2,0 м;

– диаметр входной нижней части, = 0.32 м,

=3,1 м.

Определение общей высоты смесителя:

,

где – высота диффузора, = 3,1 м;

– высота верхней части, = 1.5 м;

= 3,1+1,5+0,3=4,9 м.

 

Расход воды на 1 смеситель q _1см = q _см /3 = 0.282 /3 = 0.094 м³/с.

В соответствии с расходом подбираются трубы обвязки смесителя:

              - трубопровод подачи воды D = 300 мм, v = 1.24 м/с;

              - трубопровод отвода воды D = 400 мм, v = 0.7 м/с;

- переливной трубопровод D = 300 мм.

 

Шайбовые смесители

Шайбовые смесители устанавливаются для смешения воды с раствором коагулянта перед подачей воды на КПФ. К установке принимается 2 смесителя. Расход воды на 1 смеситель

q _1см = q _см /2 = 0.282 /2 = 0.141 м³/с.

 

Диаметр подводящего трубопровода d _тр = 400 мм, v _тр = 1.04 м/с. Расчет смесителя производится с использованием графика (см. рис.)

 

 

 

Рис. 10.  К расчету шайбовых смесителей

 

Коэффициент сопротивления диафрагмы ζ _д определяется из выражения

 

 

ζ _д = h _см ·2 g / ,

 

где h _см – потери напора в смесителе, h _см = 0.4 м,

 

ζ _д = 0.4 · 20 / 1.08 = 7.7.

 

              При ζ _д = 7.7 по графику находим .

Откуда d _д = = 256 мм.

 

 

Резервуары чистой воды

 

Ввиду отсутствия данных о работе насосной станции II подъема и сведений о расходах воды на пожаротушение в населенном пункте общий объем резервуаров чистой воды принимается равным 20% полезной производительности станции

 

W_РЧВ = 20 · Q / 100 = 20 ·20500 / 100 = 4100 м³.

 

Количество РЧВ должно быть не менее двух. К установке принимается 2 типовых железобетонных резервуара вместимостью 2000 м³ каждого с размерами: 18×24×4.8 м.