Песочный фильтр для удаления примесей из жидкости и способ выполнения песочного фильтра - RU2131287C1

Чертежи

Показать все 12 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к песочному фильтру медленного действия, удаляющему примесь(си) из сырой воды, и способу выполнения этого фильтра.

В последние годы качество питьевой воды стало важным предметом общественных и политических дискуссий, причем большое внимание уделяется вопросу присутствия в питьевой воде пестицидов.

Директива по питьевой воде ЕЭС (80/778/ЕЕС) устанавливает предельно допустимое содержание 1 уг/л по отдельным пестицидам, причем те же предельные значения установлены Положениями по водоснабжению (качеству воды) Великобритании от 1989 г. Для большинства видов пестицидов такой стандарт 0,1 уг/л является гораздо более жестким, чем стандарты, предназначенные для защиты здоровья, установленные такими органами, как Всемирная организация здравоохранения и Управления по охране окружающей среды США.

Небольшие количества пестицидов, главным образом водорастворимых гербицидов, попадают в водную среду со стоками в реки и путем инфильтрации в грунтовые воды. Это является главным образом проблемой расположенных в равнинной местности городских и сельскохозяйственных водосборов, характерных для географической территории, в которой действуют заявители.

Необходимость добиться общего снижения содержания фоновой органики и свести к минимуму использование хлора и образование его побочных продуктов также является основной проблемой для многих организаций в Европе и США, занимающихся водоснабжением.

Большинство расположенных в равнинной местности установок для обработки воды делится на три группы, исходя из источника водоснабжения и вида обработки:
i) обработка поверхностных вод путем хранения, химической коагуляции, осветления, быстрой фильтрации через песочный фильтр и хлорирования;
ii) обработка поверхностных вод путем хранения, быстрой фильтрации через песочный фильтр, медленной фильтрации через песочный фильтр и хлорирования;
iii) обработка подземных вод обычно путем только хлорирования, иногда с быстрой фильтрацией через песочный фильтр.

Заявители подают более 2700 млн. л воды в сутки для более чем семи миллионов потребителей со 123 установок для обработки воды, относящихся ко всем трем категориям. Около 75% воды отбирают в реке Темзе и ее притоках, причем большую ее часть подвергают медленной фильтрации через песочный фильтр.

Перечисленные обычные способы обработки не могут удовлетворить современных требований по содержанию пестицидов, в связи с чем возникает потребность в дополнительной обработке.

В патенте FR-A-226254(D1) описано использование потребителем фильтра из песка и древесного угля, предназначенного для очистки бытовых и дождевых вод.

В патенте US-A-4663047(D2) описан процесс очистки с использованием на отдельной стадии удаления пестицидов колонны активированного угля. Однако нигде не описано использование системы медленной фильтрации через песочный фильтр.

Медленная фильтрация обычно осуществляется в песочных фильтрах медленной фильтрации, которые представляют собой проверенное средство удаления примесей из сырой воды. Они требуют, однако больших капиталовложений и значительных участков земли.

Как уже упоминалось выше, существующие фильтры не могут должным образом обеспечить соблюдение стандартов по удалению таких примесей, как пестициды, предшественники тригалометана, органические растворители и летучие органические соединения, влияющие на вкус и на запах, такие как геосмин и 2-метилизоборнеол. Аналогичные соображения касаются удаления цвета, общего органического углерода (ООУ) и усвояемого органического углерода (УОУ).

В соответствии с этим задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается песочный фильтр медленной фильтрации, предназначенный для удаления примесей из жидкости, такой как вода, состоящий из песка и активированного угля для удаления примесей из жидкости, который отличается наличием слоев из песка, разделенных слоем активированного угля, причем по меньшей мере каждый слой имеет соответствующую верхнюю поверхность, которая является по существу ровной, обеспечивая таким образом слои нужной толщины.

Под термином "пестициды" здесь понимают фунгициды, гербициды, инсектициды и т.п.

Возможен один слой, состоящий из гранулированного активированного угля, помещенный между двумя слоями песка. Это обеспечивает эффективное использование углерода.

Возможен нижний слой песка толщиной от приблизительно 200 до 400 мм, слой активированного угля толщиной порядка 200 мм, предпочтительно от 25 до 200 мм и верхний слой песка в диапазоне от приблизительно 300 до 500 мм.

Толщина нижнего слоя песка может равняться приблизительно 300 мм, гранулированного активированного угля - приблизительно 135 мм и верхнего слоя песка - приблизительно 450 мм.

Возможно использование модулей активированного угля, в особенности для слоя активированного углерода, толщиной от 25 до 50 мм. Каждый модуль может иметь по существу квадратную форму, например со стороной около 1 м.

Модули могут затем быть уложены, как требуется, в песочный фильтр медленной фильтрации, причем предпочтительно модель может иметь форму мата, мешка или полосы с оболочкой из подходящего материала, такого как геотекстильный материал. Таким образом активированный уголь может быть помещен между слоями геотекстильного материала.

Для того чтобы не допустить неравномерного распределения активированного угля, что может быть связано с подъемно-транспортными операциями, при которых активированный уголь непреднамеренно перемещается, например, в один конец мешка, мешки могут быть разделены на отсеки, в каждом из которых содержится нужное количество активированного угля с недопущением его смещения. Отсеки могут быть выполнены любым подходящим образом, например путем прошивания, формовки и т.п.

Кроме того, мешок и его содержимое могут быть выполнены таким образом, чтобы регенерироваться при помещении прямо в регенерационную печь, так чтобы могли регенерироваться мешки целиком с их повторным использованием.

С другой стороны, вместо модельной системы песочный фильтр медленной фильтрации может состоять из слоя активированного угля толщиной 25 - 50 мм, уложенного между слоями или матами геотекстильного материала, один из которых укладывается на (нижний) слой песка, с последующей укладкой на него активированного угля, после чего на активированный уголь укладывают верхний (при использовании) геотекстильный слой или мат, а на верхний геотекстильный слой укладывают слой песка. Слои геотекстиля могут перекрывать друг друга, чтобы обеспечить полноценную емкость для активированного угля.

Гранулированный активированный уголь может быть смешан с песком в подходящих заданных пропорциях. В такой смеси частицы песка, которые меньше гранул активированного угля, имеют тенденцию к "затыканию" зазоров между гранулами активированного угля. Такое "затыкание" заставляет воду в процессе использования в фильтрующем слое протекать через поглощающий гранулированный активированный уголь. "Затыкание" оставляет также меньше пространства для развития организмов в фильтре.

Каждый слой можно выровнять по лазерной базе. Это обеспечивает одинаковую фильтрацию и очистку.

Лазерная база может представлять собой лазерный излучатель, установленный на нужную высоту на верхней поверхности слоя, и приемник на подвижном устройстве для выравнивания соответствующего слоя по этой нужной высоте поверхности.

Подвижное устройство может представлять собой мост или платформу, простирающуюся над песочным фильтром медленной фильтрации для выравнивания и/или укладки слоя, или же подвижное устройство может быть представлено устройством с двигателем, приспособленным для перемещения по слоям. Кроме того, устройство может включать стрелу достаточной протяженности, расположенную на фильтре или рядом с ним.

Согласно второму аспекту изобретения предлагается способ получения песочного фильтра медленной фильтрации для удаления примесей из жидкости, такой как вода, состоящего из песка и активированного угля, приспособленного для удаления примесей из жидкости, отличающийся укладкой песка в слои, разделенные слоем активированного угля и выравниванием по меньшей мере слоев, так чтобы они имели по существу ровную верхнюю поверхность, позволяя получить таким образом слои нужной толщины.

Возможен шаг укладки слоя песка, укладки слоя гранулированного активированного угля на слой песка и укладки дополнительного слоя песка на слой гранулированного угля.

Возможны шаги укладки первого упомянутого или нижнего слоя песка толщиной в диапазоне от приблизительно 200 до 400 мм, укладки слоя гранулированного активированного угля толщиной в диапазоне от приблизительно 100 до 200 мм, допустимо от 25 до 200 мм, и укладки второго упомянутого или верхнего слоя песка на слой гранулированного активированного угля толщиной в диапазоне от приблизительно 300 до 500 мм.

Возможны шаги укладки нижнего слоя песка толщиной приблизительно 300 мм, слоя гранулированного активированного угля толщиной приблизительно 135 мм и верхнего слоя песка толщиной приблизительно 450 мм.

Возможно выполнение шага выравнивания с помощью лазерной базы верхней поверхности по меньшей мере нижнего слоя песка и слоя гранулированного активированного угля.

Возможны шаги установки лазерного передающего устройства, установленного на нужной высоте на верхней поверхности слоя, размещения лазерного приемника на подвижном устройстве для выравнивания соответствующего слоя и перемещения этого подвижного устройства для выравнивания слоя согласно лазерной базе.

Способ может включать также применение индикатора нужного уровня, за которым следит оператор подвижного устройства с целью регулирования выравнивающих средств устройства.

Способ включает также применение моста или платформы, простирающейся над песочным фильтром медленной фильтрации для выравнивания и/или укладки слоя. Способ может также предусматривать применение стрелы достаточной длины, которая может быть установлена на фильтре или рядом с ним.

Способ может также предусматривать использование устройства с двигателем, приспособленного для перемещения по слоям. Этот шаг может предусматривать применение подвижного устройства со скребками, расположенными по существу под углом 90^o.

Способ может предусматривать укладку слоев на последовательных участках поверхности всей площади песочного фильтра медленной фильтрации, пока вся площадь поверхности не будет покрыта трехслойной структурой из песка и гранулированного активированного угля.

Ниже описан песочный фильтр медленной фильтрации с использованием примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показан поперечный разрез песочного фильтра медленной фильтрации, являющегося предметом настоящего изобретения; на фиг.2 схематически показан в перспективном изображении способ укладки и выравнивания песочного фильтра медленной фильтрации с фиг.1; на фиг.3 схематически в поперечном разрезе показан другой способ выравнивания и/или укладки песочного фильтра медленной фильтрации с фиг. 1; на фиг.4 показано изображение в поперечном разрезе выравнивающего устройства; на фиг.5 показано схематическое перспективное изображение конкретного варианта реализации выравнивающего устройства с фиг.2, 3 и 4; на фиг.6 показано изображение в плане выравнивающего устройства с фиг.5; на фиг.7 показано изображение в разрезе по линии В-В с фиг. 6; на фиг.8 показан шаг отделки поверхности слоя песка и способ укладки песочного слоя медленной фильтрации согласно настоящему изобретению; на фиг. 9 показаны шаг выравнивания слоя гранулированного активированного угля; на фиг.10 приведено графическое представление удаления пестицидов с использованием песочного фильтра медленной фильтрации в сопоставлении с контрольными слоями, не имеющими дополнительного слоя.

На чертежах, на которых аналогичные части обозначены одинаковыми позициями, показан песочный фильтр медленной фильтрации 1, включающий в песке 2 добавку 3 в форме слоя гранулированного активированного угля, применимого для удаления примесей по меньшей мере пестицидов, из воды (не показана в фильтре на чертежах), пропускаемой через песочный фильтр медленной фильтрации для ее очистки.

Гранулированный активированный уголь имеет форму слоя 3 в данном варианте реализации при толщине около 135 мм (не уплотненного), помещенного между нижним (как показано и как имеет место при использовании) слоем 4 чистого песка толщиной по существу 300 мм и верхним (как показано и как имеет место при использовании) слоем 5 чистого песка толщиной по существу 450 мм.

Сначала укладывают и выравнивают нижний слой 4 чистого песка. Он подается в фильтре или слои подходящими средствами, такими как ряд моторных устройств, таких как самосвалы или мост, или платформа 6 над слоями. В любом варианте слой 4 разравнивают до нужной толщины при относительно гладкой и ровной верхней поверхности лазерной базой в форме излучателя лазерного луча 7, установленного на нужной высоте, и лазерного приемника 8, установленного на выравнивающем устройстве в форме выравнивающего устройства 9, имеющего раму 10 с поперечными по существу параллельными скребками 11, установленными по существу под углом 90^o, как показано на фиг.4, 5 и 7.

Как можно видеть (фиг.5 и 7), скребки 11 установлены на раме 10 таким образом, что их нижние кромки наклонены под углом приблизительно 20^o к горизонтали. Лазерная база 7, 8 такова, что при перемещении устройства 9 по песку 4 с целью его укладки и разравнивания приемник 8 пересекает выше или ниже лазерный луч 12 от излучателя 7, определяя слишком ли он высоко или низко и подавая сигнал оператору платформы 6 или устройства 9, чтобы он мог внести нужные поправки в работу выравнивающего устройства при его перемещении вперед и назад и вверх и вниз (стрелка Х), пока верхняя поверхность слоя 4 не будет гладкой, ровной и на требуемой высоте, иными словами пока слой не достигнет требуемой толщины, с разглаживанием любых следов от протекторов при использовании самосвалов. Лазерный приемник 8 монтируется в одном из двух гнезд 9', расположенных на раме 10 (фиг.5).

Затем аналогичным способом на нижний слой песка укладывают слой гранулированного активированного угля. Так, в варианте реализации с фиг.2 гранулированный активированный уголь доставляют к слоям самосвалами (не показаны), которые сваливают его в штабель 13. Затем начинается использование передвижного грейдера 14 или трактора с выравнивающим устройством с фиг.4 (снабженного шарнирным соединением 15 для соединения с подъемным и опускающим механизмом 15' трактора), который разравнивает гранулированный активированный уголь, образуя слой 3 нужной толщины с использованием для этого лазерной базы 7, 8, как описано выше.

В варианте реализации, показанном на фиг.2, лазерный приемник 8 имеет непосредственный визуальный индикатор, который показывает оператору 16 в кабине, слишком ли велика или слишком мала толщина, так чтобы он мог маневрировать выравнивающим устройством 9 как необходимо до достижения требуемой толщины и гладкости.

Следует помнить, что возможно автоматическое выполнение операции выравнивания при условии, например, наличия гидравлического привода в выравнивающем устройстве 9.

Затем наносят верхний слой 5 песка, используя для этого аналогичный способ лазерной базы с целью получения нужной толщины и гладкости верхнего слоя песка.

Удобнее всего укладывать трехслойный песочный фильтр медленной фильтрации по частям, обычно по половине, как показано на фиг.8 и 9. Так, нижний слой чистого песка укладывают полностью. Потом укладывают половину трехслойного фильтра, как описано выше. Он имеет прямоугольную форму, занимающую половину по длине. Следы протекторов самосвалов или тому подобное на другой половине удаляют со слоя 2 с помощью скребка и выравнивающих покрытий, после чего укладывают вторую половину трехслойного фильтра. При построении трехслойной формы первое нанесение чистого песка верхнего слоя 5 выполняется относительно осторожно на уложенный слой гранулированного активированного угля 3, так чтобы не нарушить разглаженную поверхность и не изменить толщины.

Кроме того, гранулированный активированный уголь покрывают верхним слоем 5, как можно быстрее, после укладки, так чтобы защитить его от рассеивания ветром, измельчения или истирания морозом, или нарушения его укладки животными или птицами.

Гранулированный активированный уголь доставляют также сухим на склад, обычно в танкерах, из которых его перекачивают на углемойку с помощью удаления мелочи, причем промывочной средой служит вода. Вода стекает, однако уголь остается сырым и его укладывают в таком виде, что помогает избежать рассеивания ветром, а также способствует процессу уплотнения гранул.

Подлежащую очистке воду могут также подвергнуть предварительной обработке озоном (O₃), что может способствовать продлению срока службы активированного углерода. Предусматривается однако, что как при использовании предварительной обработки озоном (O₃), так и без нее песочный фильтр медленной фильтрации, являющийся вариантом реализации настоящего изобретения и описанный здесь со ссылкой на прилагаемые чертежи, должен снижать содержание отдельных пестицидов в поверхностных водах до уровня ниже 0,1 уг/л и суммарное содержание пестицидов до менее 0,1 уг/л в течение периода 12 - 60 месяцев до момента, когда потребуется регенерация гранулированного активированного угля.

Более того, пестициды, устойчивые к озону, такие как атрацин, могут быть полностью удалены с помощью песочного фильтра медленной фильтрации, являющегося вариантом реализации настоящего изобретения и по очищающей способности в два раза превышающего озон.

Очевидно, что изобретение может быть применено как к существующим песочным фильтрам, так и к новым, сооружаемым и намеченным к сооружению.

В вариантах реализации лазерный излучатель 7 является переносным и может быть установлен на штативе 17, который можно поставить на слоях 2 там, где требуется, в зависимости от того, укладка какой части из слоев производится. Штатив 17 легок и может переноситься оператором при питании лазера от батарей. Лазерная база может быть использована для картирования поверхности фильтра, а высоту можно регулировать с помощью телескопической мачты или опоры, на которой крепится сам лазерный излучатель. С другой стороны, лазерный излучатель может быть установлен на неподвижной опоре, такой как стойка из нержавеющей стали рядом со слоями фильтра.

Когда фильтр 2 нуждается в очистке, верхний слой песка 5 последовательно снимают слоями толщиной приблизительно 25 мм и поэтому при толщине верхнего слоя 450 мм потребуется 14 проходов для чисток, пока толщина слоя песка на гранулированном активированном углероде при использовании передвижной машины "сухой" очистки не достигнет около 100 мм. Это толщина является минимально необходимой перед тем, как произойдет нарушение слоя угля.

Таким образом, требуется 14 "чисток", пока можно будет приступить к насыпке свежего песка или удалению гранулированного активированного угля в случае его истощения, что значительно снижает эксплуатационные затраты.

Типичные песочные фильтры медленной фильтрации, которые используют заявители, обычно имеют прямоугольную форму при длине 80 - 120 м и ширине 20 - 35 м. В самом фильтре слой песка с эффективными размерами 0,3 мм глубиной 0,7 - 1,0 м перекрывает дренажный слой гравия и систему закрытого дренажа из пористого бетона.

В процессе нормальной работы ил, глина и биологические остатки постепенно накапливаются на поверхности фильтра, снижая напор фильтра и его гидравлическую мощность. Песочные фильтры медленной фильтрации не имеют обратной промывки, но через интервалы в 3 - 10 недель каждый фильтр выводят из эксплуатации, промывают, а верхний слой песка толщиной 25 - 40 мм удаляют с помощью механической очистной установки.

"Грязный" песок очищают путем промывки для повторного использования при возобновлении эксплуатации песочного фильтра медленной фильтрации, при постепенном увеличении в течение нескольких дней расхода. Когда глубина песка в фильтре достигает минимально допустимого значения 300 мм, фильтр выводят из эксплуатации и заполняют чистым песком. Периодически нижний слой в 300 мм также заменяют чистым песком.

В процессе испытаний с применением изобретения в стальной емкости размерами 2 • 1м был уложен трехслойный фильтр со слоем гранулированного активированного угля. Слой толщиной 150 мм гранулированного активированного угля F400 GAC (эффективные размеры = 0,7 мм), выпущенного фирмой Chemviron Carbon Ltd, был уложен на слой песка толщиной 150 мм с эффективными размерами 0,3 мм, лежащего на закрытом дренаже из гравия. Дополнительный слой песка толщиной 450 мм уложили на гранулированный активированный уголь.

Трехслойный фильтр с гранулированным активированным углем применялся вслед за предварительным озонированием, первичной быстрой гравитационной фильтрацией (фильтр с двумя средами с дозированием сульфата железа) и основным озонированием. Второй опытный песочный фильтр медленной фильтрации, выполненный без слоя гранулированного активированного угля, использовали в качестве контрольного. Заданная скорость фильтрации для обоих фильтров составляла 0,3 м/час.

Образцы фильтратов из обоих трехслойных фильтров - трехслойного с гранулированным активированным углем и с контрольными слоями - анализировались на содержание пестицидов и по различным другим связанным с органикой параметрами. Анализ на пестициды осуществляли на периодической основе по набору пестицидов, приведенных в табл.1.

На регулярной основе посредством лабораторных испытаний проводили определение потребности в хлоре и потенциал образования тригалометана (ТНМ) с использованием длительности контакта с хлором от 0,5 час до 6 суток.

Дважды в неделю производилось измерение ряда других физико-химических, биологических и микробиологических параметров (табл. 2).

В ходе испытаний в сырой воде регулярно находили ряд пестицидов. К ним относятся гербициды атрацин, симацин, диурон и мекопроп. Другие гербициды обнаруживались в зависимости от сезона или случайно.

Результаты по четырем отдельным пестицидам показаны на фиг.10, на которой приведено сопоставление фильтрата, полученного в полномасштабном трехслойном фильтре с гранулированным активированным углем и полученного на контрольном фильтре.

До сих пор в фильтрате из трехслойного фильтра с гранулированным активированным углем не было обнаружено пестицидов (переработано 15000 объемов слоев).

Испытания показали, что из-за колебаний концентрации в питающей воде общего органического углерода (ООУ) и удаления ООУ трехслойным фильтром с гранулированным активированным углем и контрольными фильтрами значение поступающего ООУ колеблется от 4 до 8 мг/л и обычно бывает выше в летние месяцы. Удаление ООУ контрольным фильтром варьируется в пределах от 0 до 40%, составляя в среднем 20%. Удаление ООУ трехслойным фильтром с гранулированным активированным углем составило 60% за шесть месяцев работы (5000 относительных объемов).

Трехслойный фильтр с гранулированным активированным углем обеспечивает также высокую степень удаления цвета, которая за период испытаний уменьшилась всего на 20%.

Кроме того, для всех периодов контакта с хлором от 0,5 часа до 6 суток фильтрат трехслойного фильтра с гранулированным активированным углем демонстрировал на 60% меньшую потребность в хлоре и потенциал формирования тригаломиетана, чем фильтрат контрольного фильтра.

Применение изобретения, описанного здесь со ссылкой на прилагаемые чертежи, обеспечивает получение следующих преимуществ:
1. Обычная среда гранулированного активированного угля с эффективным размером (ЭР) 0,7 мм может быть уложена в средний слой толщиной 25 - 200 мм между слоями обычной среды песочного фильтра медленной фильтрации, с ЭР 0,3 мм, без ухудшения нормальной работы фильтра или качества воды.

2. Удаление органических и неразрушаемых биологическим способом загрязнений, таких как пестициды, значительно улучшается с помощью поглотительного процесса в трехслойном песочном фильтре медленной фильтрации с гранулированным активированным углем.

3. Слои и процесс обеспечивают экономические преимущества по сравнению с обычными решениями и могут быть быстро внедрены в существующие сооружения.

Реферат

Изобретение относится к медленным песочным фильтрам для очистки воды и способам их изготовления. Трехслойный фильтр содержит слои песка и расположенный между ними слой гранулированного угля. Один слой песка и слой угля последовательно укладывают и выравнивают до получения гладкой поверхности, что обеспечивает достижение заданной толщины каждого слоя, затем укладывают дополнительный слой песка поверх слоя угля. Фильтр обеспечивает удаление из очищаемой воды таких загрязнений, как пестициды, и экономичен. 2 с. и 21 з. п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.

Формула