Названия химических элементов, с которыми приходится сталкиваться в области технологии очистки природных и сточных вод, вместе с их символами, атомными массами, наиболее часто встречающейся валентностью и эквивалентной массой приведены в табл. 2.1.
Названия химических элементов, с которыми приходится сталкиваться в области технологии очистки природных и сточных вод, вместе с их символами, атомными массами, наиболее часто встречающейся валентностью и эквивалентной массой приведены в табл. 2.1.
В воде неорганические соединения диссоциируют на электрически заряженные атомы и радикалы, называемые ионами. Распад веществ на составляющие их ионы называется ионизацией. Ион выражается химическим символом элемента или радикала со знаками плюс или минус вверху, указывающими число единичных зарядов иона.
Поскольку lg (1/10-7) = 7, значение pH в нейтральной воде равно 7.Железо окисляется из Ее в Fe3+, в то время как кислород восстанавливается из О в О2-.В этой реакции железо приобретает один положительный заряд, а марганец в перманганат-ионе восстанавливается, изменяя валентность с 7+ на 4+ в двуокиси марганца. Стрелки в правой части, направленные вниз, показывают, что эти продукты выпадают в осадок.
Температура, °С При концент 0 оации хлоридо 5000 в воде, мг/л 10 000 Уменьшение растворимости кислорода при увеличении концентрации хлоридов на 100 мг/л Парциальное давление паров воды, мм рт. ст.Вещества, добавляемые в раствор для уменьшения изменения pH по мере добавления кислот или оснований, называются буферами. К ним относятся, например, карбонаты и бикарбонаты. Понимание буферных явлений в химии воды и сточных вод очень ажно, так как многие химические реакции при обработке воды и биологические реакции при очистке сточных вод зависят от pH и требуют строгого контролирования этой величины.
Многие вещества, обусловливающие мутность воды, не выпадают из раствора (например красители, частички глины, микроскопические организмы и органические вещества, образующиеся при гниении растений или содержащиеся в бытовых сточных водах).
Главные компоненты органических соединений. — углерод, водород и кислород; второстепенные элементы — азот, фосфор, сера и некоторые металлы. Каждый атом углерода имеет четыре ковалентные связи. Некоторые органические вещества — природного происхождения, например волокна растений и ткани животных; другие могут быть получены в результате реакций синтеза (резина, пластмассы и т, д.) или процессов ферментации (спирты, кислоты, антибиотики и др.). В отличие от неорганических соединений органические вещества обычно горят, имеют высокую молекулярную массу, в очень небольшой степени растворимы в воде, в реакции вступают чаще в молекулярной форме, чем в ионной, являются источником пищи животных и подвержены распаду под воздействием микроорганизмов.
Целлюлоза биологически распадается намного медленнее, чем крахмалы.Большинство углеводов, жиров и белков присутствует в сточных водах в виде крупных молекул, которые не могут проникать через клеточную мембрану микроорганизмов. Для того чтобы метаболизи-ровать вещества с высокой молекулярной массой, бактерии должны обладать способностью разрушать крупные молекулы на части, которые могут попасть внутрь клетки и ассимилироваться. При бактериальном распаде органических соединений сначала происходит гидролиз углеводов и их превращение в растворимые сахара, а также распад белков на аминокислоты и жиров на жирные кислоты с короткой углеродной цепью. Дальнейший аэробный биораспад приводит к образованию углекислого газа и воды. При распаде в отсутствии кислорода конечными продуктами являются органические кислоты, спирты и другие промежуточные соединения, находящиеся в растворенном состоянии, а также газообразные продукты — углекислый газ, метан и сероводород.
Концентрация водородных ионов. Водородный показатель pH, оп-педеляемый по формуле (2.4), используется для выражения степени кислотности или щелочности раствора. Концентрацию водородных ионов чаще всего измеряют с помощью прибора, дающего показания непосредственно в единицах pH (рис. 2.5). Прибор снабжен стеклянным и каломельным электродами. Для тарирования счетчика используют заранее приготовленные стандартные растворы.
Представление о процессах жизнедеятельности биологических организмов: баьгерий, водорослей, простейших (протозоа), ракообразных и рыб — необходимо для понимания санитарной технологии. Естественная водная пищевая цепочка, охватывающая в природных водных источниках все перечисленные организмы, может быть нарушена при загрязнении воды. Бактерии и простейшие составляют основные группы микроорганизмов в «живой» системе, используемой при биологической очистке сточных вод. Смешанная культура этих микроорганизмов выполняет также определенные функции в проведении анализа на БПК, с помощью которого устанавливают степень загрязнения сточных вод. Некоторые заболевания человека вызываются бактериями, живущими в воде. Индикаторные организмы, в частности коли-формы, служат для оценки санитарного качества питьевой воды и воды водоемов, используемых для купания.
Размножаются бактерии путем двойного деления, т. е. клетка делится lia две новые клетки, каждая из которых созревает и вновь делится. При идеальных условиях (т. е. при достаточном количестве пищи, кислорода и питательных веществ) деление происходит каждые 15—30 мин. Некоторые виды бактерий в неблагоприятных условиях выживают за счет образования спор с плотными оболочками, устойчивых к нагреванию!, отсутствию влаги и недостатку пищи.
Цель фотосинтеза — дать жизнь новому растению, увеличивая тем самым количество водорослей. В благоприятных условиях и при достаточном питании водоросли растут и размножаются в изобилии. В природных водоемах росту водорослей могут препятствовать мутность, затрудняющая доступ солнечного света, низкая температура зимой или истощение запасов основных питательных веществ. В чистых холодных юрных озерах растет мало водорослей, тогда как озера с теплой водой, богатые азотом и фосфором, поступающими из стоков, изобилуют густыми зарослями водорослей, которые во время своего роста придают воде темно-зеленую окраску и мутность. В стабилизационных биопрудах бурный рост водорослей продолжается до тех пор, пока они не становятся настолько густыми, что дальнейший процесс фотосинтетического усвоения азота, фосфора и углеродсодержащих питательных веществ становится невозможным из-за мутности, препятствующей прохождению солнечных лучей.
Рыбы — холоднокровные живые организмы, обычно имеющие хребет, жабры, плавники и, как правило, чешую. Внутреннее строение рыб близко к строению других живых организмов с гибким хребтом и ребрами, пищеводом, желудком, кишечником, печенью, селезенкой и почками. Двухкамерное сердце нагнетает кровь в жабры для обогащения кислородом перед поступлением ее в другие части тела. Рыбы имеют также мозг, защищенный черепом, расположенный в позвоночнике спинной мозг, а также нервы, проходящие по внутренним органам и мышцам. Воздушный пузырь, расположенный под позвоночником, предназначен для поддержания плавучести в воде. Подобно большинству живых организмов, рыбы страдают от болезней, возникающих либо внутри организма, либо в результате действия внешних болезнетворных агентов. Болезни включают -в себя органические и дегенеративные нарушения работы внутренних органов. Извне на рыб действуют вирусы, грибы, бактерии, паразитические протозоа м черви. Если рыбы не погибают от болезней, они подвергаются опасности быть съеденными хищниками или пойманными рыбаками, а также опасности испытать на себе неблагоприятное воздействие окружающей среды. Неблагоприятные внешние условия зачастую связаны с загрязнением воды, которое оказывает влияние не только непосредственно на взрослых особей, но и на их воспроизводительную функцию.
Наиболее распространенные из передающихся с водой болезней — брюшной тиф, вызываемый бактериями Salmanella typhosa, азиатская холера (бактерии Vibrio comma) и дизентерия (бактерии Shigella dysenteriae). Тиф — острое инфекционное заболевание, характеризуемое продолжительной высокой температурой (лихорадка) и поражением селезенки, желудочно-кишечного тракта и крови. Симптомы холеры включают понос, рвоту и обезвоживание организма. Дизентерия вызывает понос, кровянистый стул и иногда лихорадку. Все эти болезни очень серьезны и часто приводят к смерти. Передаются они при непосредственном контакте через пищу, молоко, крабов или устриц и воду. Хотя перечисленные болезни еще свирепствуют в слаборазвитых странах и за всю историю человечества унесли миллионы жизней, они практически побеждены в США благодаря контролю за окружающей средой, пастеризации молока и хлорированию питьевой воды.
Определение патогенных бактерий в воде с первого взгляда может показаться легко осуществимым путем контроля бактериологического качества ¡воды. Однако «а самом деле такой способ имеет много недостатков, что делает его применение нецелесообразным. Проведение лабораторных анализов на патогенные бактерии сопряжено со значительными трудностями; кроме того, они, как правило, количественно невоспроизводимы. Далее, например, отсутствие бактерий Salmonella не исключает возможность присутствия бактерий Shigella, Vibrio или болезнетворных вирусов. Так как в загрязненных водах присутствует мало патогенных организмов, большая частота отрицательных результатов поставит под сомнение надежность анализов. Для аналитика гораздо более приемлемо, если несколько анализов дадут положительные результаты. По этим причинам бактериологическое качество воды определяется с помощью анализов на непатогенные индикаторные организмы, главным образом бактерии группы кишечной палочки.
Минимальное число проб воды, отбираемой из водораспределительной системы для ежемесячного анализа на колиформы, зависит от численности населения, обслуживаемого этой системой. Например, минимальное число проб при населении 1000, 10 000 и 100 000 чел. составляет соответственно 2, 12 и 100. Соответствие качества исследуемой воды бактериологическим требованиям стандартов на питьевую воду определяется числом положительных результатов. При исследовании стандартных проб объемом 10 мл результат считается положительным, если бактерии Coli обнаружены не более чем в 10% случаев в любом месяце. Другими словами, верхний предел количества колиформ должен в среднем составлять 1 на 100 мл.
Биохимическая потребность в кислороде (БПК) —наиболее часто применяемый показатель при определении степени загрязнения бытовых и промышленных сточных вод, содержащих органические вещества. Самос широкое применение этот показатель находит при определении нагрузки на очистные установки и при оценке эффективности их работы. Однако при определении потребности в кислороде воды водоемов ценность его ограниченна, и экстраполяция результатов лабораторных анализов на реальные условия природных водоемов в высшей степени сомнительна, поскольку при лабораторных испытаниях нельзя полностью воспроизвести натурные физические, химические и биологические условия.
Биологическая обработка — самый эффективный способ удаления органических веществ из городских сточных вод. Действие биологических очистных систем основано на том, что смешанные культуры микробов разлагают и удаляют коллоидные и растворенные органические вещества из раствора. Параметры среды, в которой находятся микроорганизмы в очистном сооружении, постоянно контролируются; например, активный ил в достаточном количестве снабжается кислородом для поддержания аэробных условий. Сточная вода содержит биологическую пищу, питательные вещества для роста и микроорганизмы. Лица, незнакомые с очисткой сточных вод, часто спрашивают, откуда получают «специальные» биологические культуры. Многочисленные разновидности бактерий и простейших, присутствующие в бытовых сточных водах, служат на очистных установках в качестве исходной биологической затравки. Затем посредством тщательного контроля расхода поступающих сточных вод, рециркуляции микроорганизмов после их осаждения, снабжения кислородом и применения других способов удается вывести желательные биологические культуры, которые сохраняются для обработки загрязненных стоков. Биопленку на поверхности загрузки биофильтра получают, пропуская сточную воду через фильтр. Через несколько недель фильтр может работать, удаляя органические вещества из сточной жидкости, орошающей фильтр. Активный ил в механической или диффузно-воздушной системе начинает действовать при включении аэраторов и подаче сточной воды. Первоначально необходима высокая степень рециркуляции отстоя со дна вторичного отстойника для сохранения в достаточном количестве биологической культуры. Однако через короткий промежуток времени созревает устойчивый активный ил, который эффективно извлекает органические вещества из сточной воды. При включении в работу анаэробного сооружения приходится преодолевать более существенные затруднения, так как метанообразующие бактерии, необходимые для протекания процесса брожения, немногочисленны в необработанной сточной воде. Кроме того, эти анаэробы растут очень медленно и требуют оптимальных условий окружающей среды. Пуск анаэробной установки может быть значительно ускорен при заполнении тенка сточной водой и засеве ее достаточным количеством бродящего ила из близлежащей очистной установки. Сырой осадок сначала подают с незначительной дозой загрузки, а для поддержания должного значения pH в метантенк в необходимых количествах вводят известь. Даже при этих условиях проходит несколько месяцев, прежде чем установка начинает работать на полную мощность.
Плотность воды составляет 998 кг/м3 при температуре 20° С и давлении 101,3 кПа. (При стандартных условиях, т. е. при температуре 4° С и давлении 101,3 кПа, плотность воды равна 1000 кг/м3.) Сила тяжести, отнесенная к 1 ма воды (удельный вес), составляет 9,79 кН/м3, что равно плотности, умноженной на ускорение свободного падения 9,807 м/с2.
На вертикальной линии, проведенной через точку 1 на рис. 4.4, показаны все слагаемые уравнения (4.2). Удельная потенциальная энергия положения равна высоте X, на которой находится жидкость над горизонтальной плоскостью сравнения. Удельная энергия давления Р/у равна высоте, на которую поднимается вода в трубке пьезометра при введении его в исследуемый трубопровод. Сумма этих двух величин называется пьезометрическим, или гидростатическим, напором. Скоростной напор У2/2§ равен удельной кинетической энергии потока, и если его сложить с гидростатическим напором, то получим общую удельную энергию потока жидкости. Если в уравнении (4.2) используются единицы, принятые в системе СИ, то все слагаемые будут выражены в м.
Формула Дарси-Вейсбаха редко применяется при проектировании и расчете водораспределительных систем, поскольку пользоваться ею неудобно. Диаметр трубопровода приходится определять методом проб н ошибок, так как коэффициент гидравлического трения зависит от относительной шероховатости, которая в свою очередь зависит от диаметра трубы.
Расчет водораспределительной системы включает в себя определение расхода воды и потерь напора в различных трубопроводах, а также вычисление результирующих остаточных давлений. Расчеты относительно большой водопроводной сети часто могут быть упрощены, если ряд трубопроводов с различными диаметрами заменить трубами эквивалентного диаметра. Эквивалентная труба — это воображаемый трубопровод, который заменяет часть реальной системы таким образом, что потери напора в двух системах идентичны для данного расхода воды. Например, трубы различных диаметров, соединенные последовательно, могут быть заменены эквивалентной трубой одного диаметра. Расчет проводят следующим образом: исходя из принятого расчетного расхода воды определяют потери напора в пределах каждого участка трубопровода, а затем, используя сумму потерь напора на участках и величину расчетного расхода воды, по соответствующей номограмме находят эквивалентный диаметр трубы. При параллельно расположенных трубопроводах принимают некоторую величину потерь напора и исходя из нее вычисляют расход воды в каждой трубе. Затем по сумме расходов и принятым потерям напора определяют диаметр эквивалентной трубы.
Обычный водомерный счетчик имеет измерительную камеру фиксированного объема, в которой находится диск, совершающий по мере прохождения воды определенный цикл колебательно-вращательного движения (рис. 4.6). Вращательное движение диска, возникающее в результате заполнения и опорожнения камеры, передается регистрирующему устройству. Преимуществами этого счетчика являются простота конструкции, высокая чувствительность и точность, небольшие потери напора и низкая стоимость технического обслуживания. Кроме того, точность измерения расхода воды не зависит от местоположения счетчика. Этот нутационный дисковый счетчик обычно используют в индивидуальных домах и квартирах.
Сточная вода содержит взвешенные и плавающие частицы, препятствующие использованию закрытых водомерных устройств. Кроме того, сточная вода обычно пропускается по открытым каналам, а не по напорным трубопроводам. Поэтому наиболее распространенным устройством для измерения расходов сточных вод является лоток Паршаля. Типичный лоток (рис. 4.10) состоит из сужающейся, узкой и расширяющейся секций открытого канала. Для определения расхода воды, протекающей через лоток Паршаля, необходимо измерить уровень воды в канале перед этим устройством. Поплавок (или другое устройство) первичного прибора для измерения глубины воды размещается в успокоительном колодце. Первичный прибор соединен со вторичным самопишущим прибором и регистратором расхода, аналогичным показанному на рис. 4.9. В настоящее время в США лотки Паршаля имеются в свободной продаже. Преимущества лотков, установленных в открытых каналах, заключаются в том, что они обусловливают низкие потери напора и обеспечивают способность к самоочищению.
Насосы выполняют самые разнообразные функции в водопроводных и канализационных системах. Насосы низкого подъема используются для подачи воды из водного источника или сточной воды из канализационной сети на очистную установку; насосы высокого подъема применяются для подачи воды под давлением в распределительную сеть или сточных вод з канализационный коллектор; повысительные насосы служат для увеличения давления в водораспределительной системе; рециркуляционные насосы применяются для перемещения очищаемой воды в пределах очистной установки; колодезные насосы устанавливают для подъема воды из мелких или глубоких колодцев; некоторые другие типы насосов используются для подачи химических веществ, отбора ¡проб и подачи воды для тушения пожаров. Центробежные насосы низкого и высокого давлений обычно применяют для подъема и перекачки воды, поршневые и скальчатые насосы используют для перекачки осадков, вертикальные турбинные насосы — для откачки воды из скважин, а пневматические эжекторы устанавливают на небольших насосных станциях для подъема сточных вод. В настоящем разделе рассматриваются характеристики только центробежных насосов; специфические типы насосов будут описаны в других разделах.
В США несколько правительственных учреждений, включая Корпус военных инженеров, Бюро рекламаций, Службу сохранения почв и Управление геологических изысканий, обеспечивают размещение и функционирование по всей территории страны постоянно действующих гидрометрических постов. Обычный гидрометрический пост включает в себя измерительное устройство поплавкового типа, располагающееся в защитном кожухе, установленном над поверхностью воды. С помощью этого устройства измеряют уровень воды и непрерывно регистрируют его на рулонном самописце. Обычно измерение уровня воды производят в успокоительном бассейне, соединенном с исследуемым водоемом приточной трубой. В некоторых случаях в реке (поперек течения) сооружают измерительный водослив, с помощью которого можно более точно фиксировать уровень воды при малых расходах. Однако чаще всего измерения проводят три отсутствии каких-либо искусственных препятствий, нарушающих естественные условия пропуска воды. Данные, необходимые для построения кривых «уровень — расход», собирают путем измерений расходов воды в реке в различных местах и в различные моменты времени. В период изысканий вычерчивают кривые «уровень воды — расход воды». Эти кривые необходимо периодически проверять в связи с возможным изменением глубин (размыв или заиливание русла). С помощью таких зависимостей и на основании данных гидрометрических постов относительно уровней воды вычисляют ежедневные расходы воды в реках. Полученные данные сводят в таблицы, публикуют и рассылают библиотекам и заинтересованным правительственным агентствам.
Физические характеристики озер определяются следующими параметрами: площадь поверхности, средняя глубина, объем, время пребывания воды (объем, деленный на расход поступающих потоков), цветность и мутность воды, течения, поверхностные волны, термодинамические соотношения и стратификация. Все эти параметры влияют на химические и биологические процессы, протекающие в озерах и водохранилищах, и, следовательно, оказывают влияние на качество воды. Температурная стратификация — самое важное явление с точки зрения проблем водоснабжения и эвтрофикации. В озерах, расположенных в умеренном климате, или на повышенных участках местности в субтропических районах каждый год наблюдаются два вида циркуляции воды (весной и осенью). В летнее время года имеет место прямая стратификация, в зимнее время—обратная. Озера более низких широт, в которых температура воды на любой глубине никогда не падает ниже 4°G, имеют каждый год одну циркуляцию зимой и подвергаются прямой стратификации в течение лета. Например, прямая стратификация может продолжаться с мая по сентябрь, а обратная — непрерывно с октября по апрель.
Все бытовые, производственные и сельскохозяйственные сточные воды при сбросе их в реки и озера в той или иной степени влияют на нормальное протекание жизненных процессов в водоемах. Если при этом вода становится непригодной, например, для питья, ее считают загрязненной. Основные источники загрязнения воды показаны на рис. 5.2.
Поверхностные водные источники. Принятый в 1972 г. закон о контроле над загрязнением воды утвердил национальную программу по защите качества воды как внутриштатных, так и междуштатных водных источников. Исходя из общих эстетических положений требуется, чтобы в воде всех поверхностных источников могли нормально протекать жизненные процессы и чтобы эта вода не содержала веществ, характерных для сточных вод. При проведении классификации того или иного водоема в отношении предполагаемого использования его вод устанавливают стандарты, которым должна соответствовать вода по своим физическим, химическим, биологическим и температурным показателям. В табл. 5.1 приведены шесть наиболее распространенных видов использования воды; некоторые штаты включают в этот список также навигацию и транспортирование очищенных сточных вод. В дополнение к стандартам на содержание растворенного кислорода, твердых частиц и бактерий колиформной группы, перечисленным в табл. 5.1, обычно устанавливают также нормы на pH, температуру, цвет, вкус и запах воды, содержание токсичных веществ и радиоактивность.
В реках, куда сливают сточные воды, протекают естественные процессы самоочищения, в результате чего восстанавливается первоначальное качество воды. Способность к восстановлению качества после спуска сточных вод определяется характером реки и климатическими условиями. Глубокая извилистая река с естественными заводями имеет плохую реаэрацию и медленное течение. Мелкие реки с крутыми берегами отличаются быстрым течением и хорошей реаэрацией. Наиболее критические условия для водоема возникают осенью в результате низкого уровня воды и ее высокой температуры. Для некоторых рек самый неблагоприятный период наступает зимой под покрово!М льда.
Общее количество воды, необходимое для города, определяется в зависимости от потребностей населения и промышленных предприятий, от климатических условий, а также с учетом экономических соображений. Промышленные предприятия, расположенные в прилегающих к городу районах, часто имеют собственные водопроводные системы, большинство же городских предприятий забирает воду из городской водопроводной сети. Приблизительно две трети всей используемой в США воды идет на удовлетворение промышленных нужд, причем более 90% этой воды используется для охлаждения и возвращается обратно в природные источники. Автомобильная промышленность, в которой на изготовление одного автомобиля требуется приблизительно 100 м3 воды, забирает примерно 60% очищенной воды из городских водопроводных сетей.
Управление по страхованию в Нью-Йорке разработало стандартную схему для классификации городов в зависимости от местных условий и степени противопожарного обеспечения [1, 2]. Принимается, что действенность системы противопожарного обеспечения на 39% зависит от имеющейся системы подачи воды, на 39% от эффективной работы пожарных команд, на 13%, от мер контроля над противопожарной безопасностью и на 9% от состояния служебных коммуникаций, используемых при тушении пожаров. В упомянутой схеме учитываются надежность работы и основные компоненты системы водоснабжения и соответствие ее параметров установленным требованиям. Рассматриваются следующие компоненты и параметры: источники водоснабжения, мощность насосных станций, энергообеспечение, водопроводные магистральные трубопроводы, распределительные трубопроводы, расположение задвижек и пожарных гидрантов.
Подземные воды, скапливающиеся в пустотах песчаных или гравийных пластов, могут забираться для городского водоснабжения с помощью трубчатых буровых колодцев (рис. 6.2.). Основные компоненты колодца — прочная обсадная труба, надежно заделанная в верхних неводоносных слоях, фильтр, установленный в водоносном пласте и пропускающий в трубу воду, но задерживающий частицы песка и гравия, и турбинный насос, подвешенный в обсадной трубе на колонне водоподъемной трубы. Притекающая к колодцу грунтовая вода проникает в обсадную трубу через отверстия в фильтре и поднимается наверх насосом.
Водоприемные сооружения используются для забора воды из рек, озер и водохранилищ. В последнем случае водоприемники часто возводят в качестве неотъемлемой части плотины. К типичным водоприемным сооружениям относятся водозаборные башни, затопленные водоприемные оголовки и водоприемники берегового типа. Их основные функции заключаются в заборе воды самого высшего качества из данного источника и в защите трубопроводов и насосов от повреждения и засорения в результате действия волн, льда, (паводков, плавающих или погруженных наносов. Водозаборные башни (рис.
Насосы высокого (второго) подъема используются для подачи очищенной воды из сборного резервуара очистной станции в распределительную водопроводную сеть. Для обслуживания отдельных участков системы могут потребоваться насосы с неодинаковым напором. Поэтому некоторые насосы устанавливают отдельно для подачи на низкие участки распределительной системы, а другие, более мощные насосы используют для подъема воды в высоко расположенную сеть. Для подъема воды на высокие участки чаще ®сего (применяют вертикальные турбинные и горизонтальные центробежные насосы с разъемным корпусом, имеющие большую производительность при высоком напоре. Насос двойного всасывания, показанный на рис. 6.9, имеет подвод воды к рабочему колесу с обеих сторон двойного спирального корпуса, в результате чего взаимно уравновешиваются как радиальные, так и осевые силы, и давление на подшипники становится минимальным. Рабочее колесо подает воду в спиральный корпус, где постепенно уменьшается скоростной напор и увеличивается напор давления. Насос этого типа может работать в широком диапазоне изменения производительности (от подачи расчетного расхода до нуля) без значительного снижения коэффициента полезного действия.
Водопроводная сеть, показанная на рис. 6.18, представляет собой наилучшую схему распределения воды. Все магистральные и распределительные трубопроводы образуют кольца и взаимосвязаны друг с другом, в результате чего устранены тупиковые участки и обеспечена такая циркуляция воды, при которой большой отбор воды из одной магистрали может быть компенсирован путем забора воды из других трубопроводов. При необходимости проведения ремонтных работ размер отключенного участка сети может быть ограничен одним кварталом при условии правильного расположения задвижек. Задвижки, с помощью которых прекращают движение воды в пределах того или иного участка, должны быть расположены с интервалами 350 м, и не только на магистральных линиях, но и на всех распределительных трубопроводах. Магистральные линии обычно прокладывают на каждой второй или третьей улице в одном направлении и на каждой четвертой — восьмой улице в обратном. Магистральные трубопроводы имеют такие диаметры, при которых обеспечивается подача необходимого расхода воды для бытовых, коммерческих, промышленных и противопожарных нужд. Распределительные трубопроводы на промежуточных улицах должны иметь диаметр не менее 150 м.
Пожарные гидранты. Гидранты предназначены для забора воды из трубопроводов для пожаротушения и поливки площадей и улиц. Кроме того, гидранты используются для промыки водопроводных магистралей. На рис. 6.20 показаны основные части гидранта; чугунная колонка снабжена в верхней части выпускными отверстиями, а открытие и закрытие клапана у основания осуществляют при помощи длинного вертикального стержня, выступающего над колонкой.
Поправки на падение напора при испытаниях систем с резервуарами определяются на основании изучения всех падений напора, наблюдаемых на регистрирующих манометрах насосной станции. Эти поправки могут быть весьма значительными при испытаниях участков, расположенных поблизости от насосной станции, и уменьшаться до нуля при испытаниях участков, отстоящих от станции на большие расстояния.
Основное назначение водопроводных очистных сооружений населенных пунктов состоит в обеспечении населения питьевой водой, которая по своим химическим ¡и бактериологическим свойствам безопасна для потребления. Очищенная вода, используемая для бытовых целей, не должна иметь цвета, запаха, неприятного вкуса, а также быть мутной. Требования, предъявляемые к качеству воды, которая используется на промышленных предприятиях, часто бывают более строгими, чем к качеству воды, используемой для бытовых нужд. Поэтому для производственного водоснабжения может потребоваться дополнительная очистка воды. Например, вода, подаваемая в бойлеры, должна быть деминерализована во избежание отложения накипи.
В технологических схемах очистки процесс полного смешения используют в смесителях для смешения химических реагентов с необработанной водой, для коагуляции и во флокуляторах-осветлителях (в зонах смешения и реакции).
Большинство отстойников, используемых при обработке воды, представляет собой вертикальные отсветлители, где вода поднимается вверх и затем отводится по желобам. Схема противоточного движения воды и осадка показана на рис. 7.6.
Фильтр работает следующим образом (рис. 7.11). Сначала клапаны I и IV открыты, а II, III и V закрыты. Осветленная вода, поступающая из отстойника, проходит через загрузку фильтра и с помощью дренажной системы отводится в находящийся внизу резервуар чистой воды. Высота слоя вод над поверхностью фильтра составляет от 0,9 до/ 1,2 м.
Дозатор представляет собой механическое устройство для измерения количеств химических веществ и введения их в воду с заданным расходом. Жидкостные дозаторы вводят химические вещества в виде растворов или суспензий; сухие дозаторы предназначены для работы с реагентами, поставляемыми в виде гранул или порошка. Некоторые химические соединения, такие, как хлорное железо, полифосфаты и силикат натрия, должны подаваться в растворе, тогда как другие, например сернокислое железо и сульфат алюминия, — в сухом виде. Если химическое соединение малорастворимо, его можно вводить в сухом виде или в виде суспензии при условии, что раствор непрерывно перемешивается.
Хлорирование водопроводной воды и сточных вод применяют с целью их дезинфекции для уничтожения патогенных бактерий и контроля над содержанием нежелательных микроорганизмов, а также для окисления. В качестве окислителя хлор используется для удаления железа и марганца, разложения соединений, вызывающих неприятные привкусы и запахи, и устранения аммонийного азота.
В течение трех последних десятилетий были проведены сотни исследований для определения влияния концентрации фтора в воде на распространение зубного кариеса. Исследование зубов у детей, потреблявших воду, в которой содержится природный фтор, привело к выявлению трех закономерностей: при концентрации фтора выше 1,5 мг/л частота заболеваний зубным флюорозом (появление пятен на зубах) увеличивается, а кариесом — остается без изменений; оптимальной считается концентрация фтора приблизительно 1,0 мг/л, при которой максимально уменьшается число случаев зубного кариеса и образования пятен на зубах; при концентрации фтора ниже 1,0. мг/л разрушение зубов уменьшается уже не так значительно, а дальнейшее понижение концентраций фтора в воде приводит к возрастанию числа заболеваний зубным кариесом. Контролируемое фторирование, применяемое в процессе обработки воды для установления оптимального содержания фтора, дает благоприятные результаты. Рекомендуемые предельные концентрации, приведенные в табл. 5.3, зависят от температуры воздуха, так как последняя влияет на количество потребляемой воды. В результате недавно проведенных исследований было установлено, что присутствие фтора приводит к уменьшению случаев остеопороза и артериосклероза у пожилых людей. Приблизительно половина населения США потребляет воду с содержанием в ней фтора, близким к оптимальному, причем большая его часть живет в городах, где в воду специально добавляют химические соединения для получения ионной формы фтора.
Присутствие в воде восстановленного железа способствует росту в распределительной сети автотрофных бактерий (см. п. 3.1). Периодическая промывка небольших трубопроводов водопроводной распределительной сети может быть эффективной для удаления скоплений частичек ржавчины, однако удаление железобактерий представляет собой весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс. Колонии бактерий причиняют особенно много вреда, когда они начинают разлагаться в трубопроводах водопроводной системы, придавая воде привкус и неприятный запах. В некоторых случаях оказалось эффективным усиленное хлорирование изолированных секций водопроводной магистрали с последующей промывкой. Единственное надежное решение проблемы заключается в удалении ионов железа и марганца путем соответствующей обработки воды.
Удаление железа и марганца в процессе умягчения воды. Умягчение воды с использованием извести позволяет удалить из раствора железо и марганец. Если при умягчении грунтовых вод, содержащих железо и марганец, производится раздельная обработка, марганцовокислый калиГ может использоваться для окисления ионов металлов на первой стадии обработки воды известью. Обработка известью производится главным образом при очистке воды, взятой из поверхностных водных источников, для удаления железа и марганца, входящих в состав органических соединений.
Вода поверхностных водных источников обычно содержит продукты разложения растений, микроорганизмы, красящие вещества, а также взвешенные и коллоидные твердые частицы, попавшие в воду в результате эрозии почвы. Крупнозернистые материалы, как, например, ил и песок, в основном удаляются из воды посредством простого осаждения, тогда как более мелкие частицы подвергаются химической коагуляции для получения крупных хлопьев, удаляемых в процессе последующего осаждения и фильтрования. Дестабилизация коллоидных суспензий описана в п. 2.5, а наиболее часто применяемые технологические схемы очистки воды, поступающей из поверхностных водных источников, показаны на рис. 7.2.
Растворенные в воде соли удаляют путем дистилляции, электродиализа, ионного обмена и обратного осмоса. Дистилляция — это процесс превращения поступающей на обработку воды в водяной пар, который затем конденсируется. Дистилляция представляет собой один из способов, применяемых для опреснения морской воды. Электродиализ состоит в разделении положительных и отрицательных ионов с помощью селективных мембран, пропускающих при прохождении постоянного электрического тока ионы из обрабатываемого раствора, находящегося по одну сторону мембраны, к концентрированному раствору, находящемуся по другую сторону мембраны. Проблемы, возникающие при электродиализном способе опреснения воды, сопряжены с химическим осаждением слаборастворимых солей и засорением мембраны коллоидными массами. Для предотвращения засорения мембран опресняемая вода из поверхностных источников должна пройти предварительную обработку (химическое осаждение и очистка с использованием активного угля для извлечения из воды молекул органических веществ и коллоидов). Обессоливание, проводимое путем ионного обмена, описано в п. 7.9. Вследствие высокой стоимости этих процессов, по-видимому, ни один из них не найдет широкого применения в практике очистки воды.
В результате коррозии поверхность трубы покрывается щербинами н чешуйками, вода приобретает цвет ржавчины, а, труба в конце концов разрушается.Катодная защита — способ противодействия коррозии путем предотвращения растворения железа по уравнению (7.31). Для защиты стальных конструкций используют либо «приносимый в жертву» гальванический анод, изготовленный из металла, расположенного левее защищаемого металла в ряду напряжений, либо электролитический анод, присоединенный к внешнему источнику постоянного тока. Магниевые или цинковые гальванические аноды взаимодействуют с железом наподобие аккумулятора таким образом, что они корродируют и постепенно разлагаются, тогда как стальная конструкция, с которой они соединены, оказывается защищенной от коррозии. Системы такого типа обычно применяют для защиты небольших нагревательных котлов.
Отходы, образующиеся при коагуляции. Осадок, образующийся при коагуляции, содержит главным образом гидроокись алюминия (в случае применения квасцов) и окислы железа (в случае применения железосодержащих коагулянтов). В осадке могут также присутствовать небольшие количества активного угля и вспомогательных коагулянтов, например полиэлектролитов и активированного кремнезема. Находящиеся в хлопьях твердые вещества имеют в большинстве случаев неорганическую природу и представляют собой в основном ил и глину.
Лагуны. Использование лагун — широко распространенный и вполне приемлемый способ обезвоживания, уплотнения и временного хранения отработанных осадков. Лагуны сооружаются путем> выемки земли или обваловывания на определенном земельном участке. Дренаж может быть улучшен путем покрытия дна песком и установки дренажных труб. Предусмотрено устройство для переливания чистого поверхностного слоя, особенно для тех случаев, когда в лагуны сливается промывная вода из фильтров. Хотя сливание отходов в лагуны — процесс неэффективный, для тех районов, где имеются соответствующие недорогие земельные участки, этот метод вполне оправдан. Размер требуемого земельного участка зависит от ряда факторов, таких, как тип, характер и содержание сухого вещества в сливаемом осадке, конструктивные особенности, включая дренажные трубы и переливающие устройства, климат и режим работы.
Контроль качества воды необходим для работы любой очистной установки, особенно в случае использования воды из поверхностных источников. В отношении очистки подземной воды следует подчеркнуть, что даже в тех случаях, когда ее обработка сводится к удалению железа и марганца, лабораторный контроль желателен. На некоторых небольших установках традиционно выполняются программы по взятию проб и проведению анализов, в то время как персонал других установок полностью полагается на надзор штатных или местных агентств здравоохранения. Но даже на небольших водоочистных комплексах в большинстве случаев находят возможным обучать операторов проведению общих химических и бактериологических анализов с использованием имеющегося оборудования и реактивов. Хорошая программа контроля не обязательно должна приводить к чрезмерным расходам. Например, общая стоимость программ по контролю качества воды установки по очистке подземных вод вблизи р. Платт и водопроводных сооружений для воды из р. Миссури составляет соответственно приблизительно 500 и 1000 долларов на 1 млн. маводы.
За воду, подаваемую системой водоснабжения, необходимо вносить плату, достаточную для покрытия расходов на нормальное обслуживание потребителей. Взимаемая сумма должна покрывать расходы на функционирование и техническое обслуживание системы, выплату кредитов, включая проценты, расходы на расширение и усовершенствование технических средств и замену устаревшего оборудования для сохранения долговечности системы.
Бытовыми, или фекальными, сточными водами называют жидкие отходы из жилых зданий, учреждений и учебных заведений. Производственными сточными водами называют жидкие отходы с промышленных предприятий. «Городские сточные воды» — термин, обычно применяемый к стокам, которые отводятся городской канализационной системой и обрабатываются на городских очистных сооружениях. Кроме того, на городские очистные сооружения при наличии общественной системы канализации поступают воды от поливки улиц в период сухой погоды, а также инфильтрационная вода. Схематическое изображение систем канализации представлено на рис. 9.1.
Количество и характеристики сточных вод колеблются в зависимости от времени года, а также от будних и праздничных дней. Расходы сточных вод в летнее время часто превышают зимние расходы на 10—20%, а объем промышленных стоков уменьшается в воскресные дни. Часовые колебания расходов в крупных городах отличаются от аналогичных показателей в небольших городах вследствие большого разнообразия работ и видов деятельности, осуществляемых в больших городах на протяжении суток. Большие объемы сильно загрязненных промышленных стоков могут нарушать типичную картину изменения расхода и ВПК вследствие увеличения пиковых гидравлических нагрузок и нагрузок по БПК в течение рабочего дня. Чрезмерные инфильтрация и инфлоу, хотя и снижают загрязненность сточных вод, могут в значительной степени затруднять работу очистных сооружений вследствие увеличения средних и пиковых расходов в периоды интенсивного выпадения дождей. Все эти факторы следует учитывать при оценке колебаний расходов и загрязнения сточных вод в каждом городе.
Правильная техника отбора проб — важнейшее условие для точного проведения анализов по определению свойств сточных вод. Для определения свойств, характеризующих поток сточных вод в целом, пробы должны отбираться там, где сточная вода хорошо перемешана. Взятая наугад в данный момент проба может отразить условия, существующие в канализационном трубопроводе только в период ее отбора, нехарактерные для более длительного периода, так как показатели поступающих сточных вод не отличаются стабильностью. Средняя проба представляет собой смесь разовых проб, взятых в соответствии с характером изменения расхода сточных вод.
Канализационная сеть представляет собой систему подземных водонепроницаемых трубопроводов, по которым сточные воды самотеком отводятся из городских районов в места сброса. Самые первые дренажные системы, сооруженные в городах в XVI и XVII столетиях, предназначались для отвода ливневых стоков с застроенных участков с целью защиты последних от затопления. Для удаления человеческих экскрементов использовались уборные и выгребные ямы, а хозяйственные сточные воды часто выливались на улицы. Хотя это и создавало антисанитарные условия, до 1850 г. в таких городах, как Лондон и Филадельфия, запрещался слив хозяйственных сточных вод в ливневые дренажи. Появление насосов, приводимых в движение паровым двигателем, и чугунных труб для подачи воды под напором привело к созданию в домах водопровода и смывных туалетов. Вскоре выгребные ямы были запрещены, и сточные воды по трубам выводились- в ливневые дренажи, что превратило последние в комбинированную (общесплавную) канализацию. Такая система отвода стоков улучшила санитарное состояние города, однако спуск неочищенных сточных вод производился непосредственно в поверхностные водные источники.
Общесплавная канализация была проложена до 1900 г. во многих городах США, причем не считалось необходимым отделять и очищать бытовые и производственные стоки. Хотя такие системы все еще существуют в старых городах, в XX в. ¡преобладающим стало строительство раздельной канализации. В ливневую канализацию (поступают только дождевые стоки с поверхности и другие незагрязненные воды, которые отводятся непосредственно в природные водоемы, тогда как по фекальной канализации бытовые и производственные сточные воды поступают на очистные сооружения для очистки перед сбросом в водоем. Там, где существуют системы общесплавной канализации, во многих случаях были сооружены перехватывающие коллекторы, отводящие в сухую погоду потоки сточных вод для очистки их на очистных сооружениях; в дождливую погоду та часть стоков, которая не может быть обработана из-за ограниченной мощности очистных сооружений, в большинстве случаев все еще непосредственно направляется к местам сброса.
Лазерная установка, размещенная в смотровом колодце, показана на рис. 10.20,6. В начале укладывают плиту основания, затем на ней укрепляют вертикальный стержень (стержень располагают по вертикальной оси колодца и удерживают в нужном положении с помощью поперечной распорки, раскрепленной в боковые стенки колодца). Затем к стержню на нужной отметке прикрепляют лазерный прибор и луч лазера направляют по осевой линии коллектора. Горизонтальный луч лазера фиксируют в нужном направлении с помощью расположенного на поверхности теодолита. Сначала теодолит поворачивают в горизонтальной плоскости таким образом, чтобы крест нитей визирной трубы совпадал с требуемой точкой на осевой линии следующего смотрового колодца. Затем теодолит наклоняют в вертикальной плоскости на требуемый угол, вследствие чего фиксируется линия, соответствующая уклону продольной оси коллектора. После этого производят корректировку вертикальной отметки лазера и направление его луча приводят в соответствие с наклоном визирной линии теодолита. На раструбе каждой секции трубы в процессе укладки фиксируется съемное приспособление, на котором отмечается точка, соответствующая продольной оси секшш. Корректировку положения секции в траншее осуществляют до тех пор, пока эта точка не совместится с лучом лазера.
Традиционная очистка сточных вод представляет собой сочетание физических и биологических процессов, используемых для удаления органических веществ из обрабатываемой жидкости. Самый первый в истории способ очистки заключался в простом отстаивании сточных вод в септиктенках. Применявшиеся для этого в различных городах тенки Имгоффа представляли собой двухъярусные резервуары, в которых верхняя зона (зона отстаивания) отделялась от нижней зоны (камеры сбраживания) наклонной перегородкой с щелью. Взвесь, оседавшая в верхней зоне тенка, проходила через щель в нижнюю зону, из которой сброженный осадок периодически удалялся. Последним этапом усовершенствования технологии первичной очистки было полное разделение установок, предназначенных для отстаивания и обработки осадка. В настоящее время обработка сырых осадков производится также путем механического обезвоживания или биологической минерализации.
Проектирование городских очистных сооружений обычно проводится с учетом таких параметров, как расход сточных вод и содержание в них органических веществ. Требуемая степень очистки основывается на стандартах качества очищенных сточных вод по таким показателям, как БПК, концентрации взвешенных веществ, количества фекальных колиформ и значение pH.
Первыми стадиями при обработке городских сточных вод обычно являются извлечение из воды крупных отбросов с помощью решеток, подъем воды насосными станциями, измерение расхода и удаление песка. Для очистки жиросодержащих производственных стоков иногда применяют флотацию, но обычно удаление жиров более эффективно производится в процессе предварительной очистки на промышленном предприятии. Для интенсификации процесса первичного отстаивания иногда применяют химическую коагуляцию. Однако это дорогостоящий процесс, и обычно он вводится лишь при перегрузке очистных сооружений. Хлорирование исходных сточных вод может применяться для устранения запаха и улучшения седиментационных характеристик стоков. Расположение сооружений предварительной обработки может быть различным, но при этом всегда соблюдаются следующие правила. Решетки защищают насосы и препятствуют засорению последующего оборудования, поэтому их всегда располагают первыми. Лоток Парша-ля размещают перед подъемными насосами, работающими с постоянной скоростью, так как включение и выключение насосов приводит к пульсации потока, которое не может регистрироваться этим расходомерным устройством. Если применяются насосы, работающие с переменной скоростью, то лоток может располагаться как перед насосами, так и после них, так как производительность насосов должна соответствовать (быть идентичной) количеству поступающей воды. Удаление песка уменьшает износ механического оборудования вследствие абразивных воздействий и предотвращает накопление песка в сооружениях и трубопроводах. Хотя в идеальном случае песок должен удаляться перед поступлением воды в подъемные насосы, песколовки, расположенные на повышенных отметках, гораздо более экономичны и полностью оправдывают дополнительные затраты по эксплуатационному обслуживанию насосов. Два возможных варианта расположения оборудования для предварительной очистки приведены на рис. 11.3. Верхняя схема типична для крупных очистных сооружений, тогда как нижняя наиболее широко применяется в небольших установках.
Биологический процесс. При орошении фиксированных сред бытовыми сточными водами на поверхности сред образуется биологическая пленка (биопленка). Пленка состоит главным образом из бактерий, простейших и грибов, питающихся содержащимися в сточных водах органическими веществами. В них могут присутствовать также иловые черви, личинки мух, ротиферы и другие микроорганизмы. Во время теплой погоды солнечный свет способствует росту водорослей на поверхности загрузки фильтра. Схема, приведенная на рис. 11.12, иллюстрирует протекание биологического процесса. По мере того как сточная вода проходит по поверхности биопленки, из воды извлекаются органические вещества и растворенный кислород и выделяются конечные продукты метаболизма, такие, как углекислый газ. Количество растворенного кислорода в жидкости пополняется за счет абсорбции из воздуха, находящегося в полостях загрузки фильтра. Биологический слой, хотя и очень тонкий. является анаэробным в своей внутренней части. Поэтому, несмотря на то, что биологическое фильтрование называют аэробным процессом, оно по существу представляет собой факультативный процесс, объединяющий деятельность как аэробных, так и анаэробных микроорганизмов.
Стабилизационные пруды, называемые также лагунами или окислительными прудами, обычно применяются для биологической очистки сточных вод в сельской местности. Хотя они обслуживают только около 7% населения, в США насчитывается около 3500 лагун, устроенных в 90% населенных пунктов с населением менее 10 000 чел. Пруды подразделяются на факультативные, третичные, аэрационные и анаэробные в соответствии с типом биологических процессов, протекающих в них.
Поле подземной фильтрации, где происходит большая часть биологической стабилизации стоков, состоит из кольцеобразных или прямолинейных траншей шириной 0,4—0,6 м и глубиной не менее 0,5 м. Для распределения сточной воды равномерно по дну траншеи используются дренажные или перфорированные трубы, погруженные в слой гравия. Органические вещества разлагаются в аэробно-факультативной среде загрузки, а вода просачивается в грунт. Воздух в дренажную трубу поступает через грунт обратной засыпки траншеи ц по вентиляционному каналу. Требуемая площадь поля находится в прямой зависимости от водопроницаемости грунта и для дома с четырьмя спальнями составляет от 30 до 120 м2. Площадь траншеи для каждой конкретной местности определяется на основании исследований грунта и испытаний на перколяцию.
Цель отстаивания и биологической аэрации сточных вод состоит в выведении из раствора органических веществ и концентрировании их в значительно меньшем объеме для облегчения обработки и удаления. Как показано на рис. 11.1, примеси, находящиеся в 400 л сточной воды, концентрируются примерно до 2 л жидкого ила; это составляет примерно 5000 л отходов на 1000 ма обработанной воды. Стоимость оборудования для стабилизации, обезвоживания и сброса этого концентрата составляет примерно одну треть от общих капиталовложений на создание очистных сооружений. В зависимости от используемого оборудования затраты на обработку осадков могут составлять даже большую часть всех расходов по эксплуатации очистных сооружений. В связи с этим очень важно иметь правильно запроектированную и эффективно используемую систему для обработки и удаления осадков.
Способы обработки осадков зависят от типа, размера и расположения очистного комплекса, от вида операций, использующихся при очистке, и от способа ликвидации осадков. Выбранная система обработки должна быть пригодной для приема образующегося осадка и для экономичного превращения его в продукт, приемлемый для, сброса без ущерба для окружающей среды. Распространенные способы обработки осадка приведены в табл. 11.4.
Механическое уплотнение выполняется в радиальных отстойниках, оснащенных скребковыми механизмами с вертикальными лопатками. Этот процесс описан в п. 7.15, а типовая установка показана на рис. 7.28. Осадки, удаляемые из первичных отстойников или специальных резервуаров, поступают в гравитационный уплотнитель через центральную впускную камеру. Верхний слой воды, содержащий неосаж-даемые фракции, возвращается в мокрую камеру (насосной станции для перекачки на повторную обработку, а концентрат собирается с днища уплотнителя для обезвоживания и удаления. Обычно удельные нагрузки составляют 30—60 кг сухого вещества на 1 м2 днища уплотнителя в сутки или выражаются в виде гидравлической нагрузки и составляют 16—32 м3/(м2-сут). При обработке бытовых стоков концентрация осадка в нижнем слое обычно в 2 раза выше концентрации поступающего на уплотнение осадка. Например, ожидаемая концентрация осадка по сухому веществу в нижнем слое составит 6% для смеси первичного и активного ила и 8 % для первичного осадка плюс биопленка из биофильтра. Точную производительность уплотнителя трудно предсказать вследствие изменчивого характера осадков. Для улучшения осаждаемости взвешенных частиц и повышения плотности осадка могут использоваться химические коагулянты.
Первая стадия заключается в разложении крупных органических соединений и превращении их в органические кислоты с выделением газообразных побочных продуктов: углекислого газа, метана и следов сероводорода. Эта стадия осуществляется разнообразными факультативными бактериями, функционирующими в лишенной кислорода среде. Если бы процесс на этом остановился, скопившиеся кислоты привели бы к понижению pH и к ингибированию последующего распада при «закисании» оставшихся сырых сточных вод. Для того чтобы! произошло сбраживание, на второй стадии необходима газификация для превращения органических кислот в метан и углекислый газ. Бактерии, расщепляющие кислоты с образованием метана, являются строгими анаэробами и очень чувствительны к условиям окружающей; среды, т. е. к температуре, pH и анаэробиозу.
Вакуумное фильтрование во вращающемся барабане — наиболее распространенный способ механического обезвоживания осадка. Цилиндрический барабан, покрытый фильтровальной тканью, вращается, при этом он частично погружен в корыто с химически обработанным осадком. В качестве фильтровальной ткани может быть использована синтетическая ткань, плетеная металлическая сетка или спиральная пружина из нержавеющей стали, намотанная в два слоя и натянутая вокруг барабана таким образом, что образуется рисунок, характерный для вельветовой ткани (рис. 11.49). Барабан медленно вращается, а под фильтровальной тканью создается вакуум, вследствие чего частицы осадка притягиваются к ткани при погружении барабана в корыто. По мере вращения барабана из аккумулированных частиц под действием вакуума извлекается влага! Фильтрат из каналов, расположенных под фильтровальной тканью, отводится по радиальным вакуумным трубам. В секторе удаления осадка вакуумное всасывание прекращается, и фильтровальная ткань или спиральные пружины наматываются на! небольшой ролик для снятия высушенного кека. Слой кека снимается с помощью вилообразных приспособлений. Фильтровальная ткань, до того как она будет вновь намотана на поверхность барабана для повторного цикла, промывается с помощью пульверизатора, расположенного между промывочными и возвратными роликами.
Центрифуги, хотя они не так широко распространены, как вакуум-фильтры, используются для обезвоживания исходных и сброженных осадков, а также избыточного активного ила. Процесс центрифугирования описан в п. 7.15, а распространенные типы центрифуг показаны на рис. 7.29 и 7.30. При обычном центрифугировании в зависимости от ха рактера осадка получают кек с концентрацией сухого вещества от 15 до 30%. Без химического кондиционирования в кек переходит 50—80% сухого вещества, в то время как должным образом проведенная предварительная химическая обработка может увеличить выход сухого вещества до 80—95%. Получение фугата с высоким содержанием взвешенных неосаждающихся частиц (из-за свойств самого осадка или вследствие неправильного кондиционирования) может привести к серьезным затруднениям. Например, большое содержание неосаждающейся взвеси в потоке, возвращаемом на обработку в головную часть очистных сооружений, может привести к большой нагрузке по мелким частицам, постоянно рециркулирующим через центрифугу и очистное оборудование. Для кондиционирования могут использоваться полиэлектролиты, а также хлорное железо и известь. Выбор между центрифугированием и вакуумным фильтрованием основывается на эксплуатационных характеристиках и экономических соображениях, учитывающих первоначальную стоимость изготовления и монтажа, а также эксплуатационные расходы, включающие стоимость трудозатрат, химических веществ и электроэнергии.
Механическое обезвоживание применяется в качестве предварительной обработки перед сушкой или сжиганием осадков. Сушка осадка заключается в уменьшении влагосодержания путем испарения влаги в воздух. Для нагрева окружающего воздуха и испарения влаги сжигается вспомогательное топливо. Сжигание представляет собой продолжение процесса высушивания, в результате чего твердые примеси превращаются в инертную золу, которая легко удаляется. При обезвоживании приблизительно до 30%-ного содержания сухого вещества процесс обычно протекает без сжигания дополнительного топлива, за исключением первоначального разогрева и контроля над выделением тепла. Предпочтительнее сжигать исходный, а не сброженный осадок вследствие более высокой теплоты сгорания первого.
В тех случаях, когда рядом с очистными сооружениями находятся недорогие свободные земельные участки, оказывается экономичным сброс сброженного осадка в лагуны. Преимущества такого способа заключаются в его простоте, гибкости и пригодности для сооружений любых размеров. Высушивание осадка в лагунах может проводиться регулярно или только временно, в периоды пиковых нагрузок. К недостаткам лагун относятся возможность загрязнения грунтовых вод и появление запахов, если осадок сброжен не полностью.
Ошибки, допущенные при проектировании или строительстве канализационной сети, могут привести к возникновению серьезных проблем, разрешение которых связано с большими денежными затратами. Для сведения к минимуму затрат на техническое обслуживание сети необходимы достаточные уклоны труб, обеспечивающие создание самоочища-ющей скорости потока. Для предотвращения чрезмерной инфильтрации и проникания в трубопроводы корней деревьев исключительно важное значение имеет правильный выбор конструкций стыковых соединений труб. Срезка корней деревьев в трубопроводах представляет собой дорогостоящую операцию, которую приходится многократно повторять. Грунтовые воды, проникающие через стыки, увлекают с собой окружающий трубу грунт, что приводит к разрушению конструкций. При прокладке новых канализационных сетей необходимо помимо строгого соблюдения требований проекта и жесткого контроля за ходом и качеством строительства тщательно проверить (перед обратной засыпкой) все домовые ответвления и соединения. Важно также убедиться в том, что-все неиспользуемые домовые ответвления должным образом закрыты (изолированы).
Программа работ по техническому обслуживанию систем канализации успешно выполняется только при проведении работ по заранее составленному плану и при условии аккуратного ведения записей. Для указания мест расположения смотровых колодцев, прочистных отверстий, домовых соединений и т. п. используются карты. Все проделанные работы должны отражаться в записях, в которых особое внимание следует уделять тем линиям, которые требуют более частых осмотров и прочисток. На некоторых крупных канализационных сетях, проложенных с правильными уклонами, может никогда не потребоваться промывка или прочистка, тогда как для других сетей должен быть составлен план регулярных профилактических работ, проводимых с различными интервалами— от 1 раза в месяц до 1 раза в год. Число аварийных нарушений работы канализационной сети может быть значительно сокращено благодаря проведению таких профилактических работ.
Правила пользования канализационной сетью разработаны в основном с целью обеспечения контроля за сливом в бытовую канализацию, поддержания надлежащего качества воды в водоеме, куда сбрасываются обработанные сточные воды, и установления обоснованной платы за пользование канализацией. Свод правил регламентирует: использование там, где это возможно, коммунальной канализационной сети; контроль за индивидуальным сбросом сточных вод в случае отсутствия канализационной сети; устройство домовых ответвлений; контроль за количеством и качеством сточных вод, спускаемых в городскую канализацию; способы отбора проб и проведения анализов; права и обязанности инспекторов; наложение штрафов и т. д.
Специалист, оценивающий эффективность работы очистного сооружения и принимающий в связи с этим ответственные решения, должен хорошо знать принцип и детали работы каждого .агрегата и его роль в общем процессе очистки. Характеристики исходной сточной воды должны содержать полные данные о величине расхода, параметрах загрязненности, типах производственных стоков и объемах инфильтрации и ин-флоу. Эти данные получают на основе круглогодовой программы отбора проб, анализов сточных вод и контроля над производственными стоками, сбрасываемыми в канализационную сеть. Для обеспечения удовлетворительной степени очистки ответственные за нее лица должны быть знакомы с местными, штатными и федеральными стандартами на качество воды, а также с нормами на качество очищенных сточных вод. Полная оценка очистных сооружений включает в себя также рассмотрение всех использовавшихся способов технического обслуживания и проверку точности документов об эксплуатационных затратах.
Содержащиеся в очищенных сточных водах неосажденные взвешенные частицы могут быть также удалены посредством фильтрования на фильтрах с загрузкой, используемой при очистке воды в системах водоснабжения (см. п.7.4). Однако при проектировании таких фильтров следует учитывать более высокое содержание взвешенных веществ и изменяющиеся расходы сточных вод, с чем не приходится сталкиваться при обработке питьевой воды. Предпочтительно применять песчано-угольные двухслойные фильтры или смешанные загрузки, состоящие из антрацита, граната, песка и гравия. Фильтры с однослойной песчаной загрузкой не могут задерживать большое количество грубодисперсных примесей, так как происходит закупоривание поверхности фильтра. Фильтры с многослойной загрузкой позволяют проводить внутриглубинное фильтрование с повышением степени очистки и увеличением продолжительности фильт-роцикла. Обратная промывка фильтров путем пропускания восходящего потока воды через загрузку не дает удовлетворительных результатов; для повышения эффективности промывки необходимы дополнительные устройства. Применяют либо продувку загрузки воздухом, либо взмучивание верхнего слоя загрузки при использовании вращающегося водоструйного устройства. Фильтры могут быть гравитационными или напорными в зависимости от имеющегося напора воды. Гравитационное фильтрование дает удовлетворительные результаты при потерях напора 2,4— 3,0 м, тогда как при напорном фильтровании потери напора могут достигать 6 м.
Как уже указывалось выше, интенсивность цветения озер может быть замедлена путем снижения количества поступающих в них питательных веществ. В настоящее время большое внимание уделяется уменьшению поступления фосфора, так как считается, что осуществление контроля над процессом эвтрофикации водоемов зависит в основном от снижения концентрации этого питательного вещества. Однако не менее важно то, что удалять из сточных вод азотосодержащие соединения намного труднее. В некоторых штатах были приняты нормы на содержание фосфора в очищенных сточных водах. В этих стандартах указаны предельно допустимые концентрации фосфора в очищенных сточных водах, а также требования относительно удаления определенной части фосфора в процессе очистки. Предельно допустимые концентрации фосфора принимаются равными 1—2 мг/л (в большинстве случаев 1,0 ,мг/л), а эффективность удаления фосфора в процессе очистки должна составлять по нормативным требованиям 80—95%.
Активный уголь — эффективное средство извлечения растворенных органических соединений, не полностью удаленных при обычной биологической очистке и обусловливающих БПК, ХПК, цветность, а также привкусы и запахи сточных вод. Активный уголь извлекает органические вещества путем адсорбции и биораотада. Находящиеся в растворе молекулы улавливаются пористой поверхностью гранулированного угля, в то время как другие материалы задерживаются в результате осаждения и биологической ассимиляции. Теоретически извлечение органических веществ происходит главным образом в результате адсорбции, тогда как биологическая активность способствует регенерации адсорбирующей поверхности путем повторного открытия пор активного угля. Хотя на начальной стадии эксплуатации угольной колонны доминирующую роль играет адсорбция, тем не менее значение биологической активности в процессе извлечения растворенных органических веществ также весьма существенно. Следовательно, токсичные вещества, тормозящие микробиальную активность, могут уменьшить эффективность работы установки. Сточные воды с высоким pH, получаемые после первичного химического осветления, должны быть нейтрализованы перед фильтрованием в угольных адсорберах. Так как механизм доочистки активным углем полностью не выяснен, то перед обработкой каждого данного типа сточных вод необходимо проводить экспериментальные исследования.
Косвенное повторное использование сточных вод имеет место в том случае, когда очищенные стоки сбрасываются в реки и после разбавления речной водой забираются системой водоснабжения, расположенной где-то ниже по течению. В засушливую погоду очищенные стоки составляют значительную часть расхода воды в реках. Сброс сточных вод в поверхностные водоемы и забор их для повторного использования осуществляют таким образом, чтобы расстояние от места сброса до места забора и время, за которое сточная вода доходит до места забора, были достаточно большими для обеспечения необходимой степени разбавления и самоочищения стоков в речной воде. В некоторых случаях практикуется прямое повторное использование восстановленной (регенерированной) воды, например для производственных процессов, ирригации и наполнения водоемов, предназначенных для отдыха людей. Иногда регенерированные сточные воды применяют для пополнения запасов грунтовых вод, а в отдельных случаях их используют непосредственно в городской системе водоснабжения.
Контроль качества воды исключительно важен при косвенном повторном использовании воды, а также при рассмотрении возможности ее прямого повторного использования. На основе долгосрочного (рассчитанного на 50 лет) регионального планирования и обширных исследований должна быть разработана объединенная система водоснабжения и канализации. Цель планирования заключается в следующем: создание системы контроля над качеством воды; определение происхождения всех стоков; оценка эксплуатационных свойств и возможностей всех водопроводных и канализационных очистных сооружений; проведение специальных исследований для решения некоторых специфических для данного района проблем; проверка соблюдения современных стандартов на качество воды. Последнее является основополагающим для контроля над качеством воды. На рис. 14.1 показана взаимосвязь между различными стандартами и процессами потребления и обработки природной воды и сточных вод. Стандарты для поверхностных водных источников устанавливают качество, приемлемое для того или иного применения воды, например для коммунального водоснабжения. Стандарты на качество сбрасываемых в водоемы обработанных сточных вод устанавливают качественные показатели стоков с промышленных предприятий и городов с тем, чтобы они обеспечивали критерии качества воды поверхностных источников. Промышленные предприятия, расположенные в городах, обязаны соблюдать правила пользования городской канализационной сетью. Для системы общественного водоснабжения установлены стандарты па питьевую воду.
Поверхностный сток применим только для наклонных участков с относительно непроницаемыми грунтами в виде глин, глинистых песков или наносных отложений. Сточная вода разбрызгивается или равномерно распределяется по поверхности для получения потока, равномерно стекающего по склону, а не просачивающегося в грунт (рис. 14.8). Регенерация воды осуществляется при ее прохождении через траву и перегной, находящиеся на поверхности земли. Наличие сплошного растительного покрова исключительно важно для эффективности работы такого фильтра. Выбранные площадки должны профилироваться для обеспечения уклонов 2—6%. Через каждые 60—90 м поперек склона прокладываются перехватывающие канавы. Взаимное расположение мест ввода стоков и перехватывающих канав назначают так, чтобы время контакта воды с травяным фильтром было достаточным для восстановления свойств воды. Для распределения сточной воды обычно используются заглубленные или расположенные на поверхности трубы, оснащенные разбрызгивающими приспособлениями. Интенсивность подачи сточных вод колеблется от 40 до 75 мм в неделю, причем ежедневный период подачи составляет 4—6 ч. Для обеспечения роста трав верхний слой должен представлять собой плодородный грунт толщиной 150 мм.