Вода природных источников водоснабжения содержит вещества минерального и органического происхождения, а также микроорганизмы.Минеральный состав природных вод определяется главньм образом характером геологических слоев, через которые протекают эти воды.
Качество природной воды улучшают устранением нежелательных физических ее свойств и удалением отрицательно влияющих примесей а также обеззараживанием, то есть освобождением ее от бактерий и микроорганизмов.
Улучшение качества природной воды при современной технике ее очистки для хозяйственно-питьевых нужд и технологических целей промышленных предприятий может быть достигнуто различными методами.Метод улучшения качества воды выбирают в зависимости от физико-химического и бактериологического (а в отдельных случаях и от гидробиологического) состава ее в источнике водоснабжения, от требований потребителя, а также технико-экономических соображений.
Полная производительность очистных сооружений водопровода должна обеспечить: полезный расход воды, то есть подачу ее всем категориям потребителей; расход воды на собственные нужды очистных сооружений (главным образом на промывку фильтров, а также на опорожнение при очистке и последующей промывке отстойников, осветлителей, камер реакции, смесителей, резервуаров чистой воды, на нужды хлораторных, аммонизаторных установок и на другие расходы очистных сооружений) и расход воды на пополнение пожарного запаса воды в резервуарах.
Дозы реагентов должны устанавливаться на основании данных технологических исследований, осуществляемых путем пробных очисток исходной воды в разные периоды года, а также на основании опыта эксплуатации очистных сооружений, работающих на воде аналогичного качества [13].
По принципу перемещения масс воды в очистных сооружениях различают самотечные и напорные системы. В первых применяются аппараты открытого типа, поступающая на обработку вода протекает в них самотеком, в результате разницы гидростатических уровней в различных частях сооружений. В напорных системах используется аппаратура закрытого типа и вода в ней перемещается под давлением, создаваемым насосной станцией.
Пример 1. Определить полную производительность очистных сооружений водопровода с полезной отдачей воды 30 ОСЮ м3 в сутки.На очистных сооружениях используются осветлители; расчетная скорость фильтрования 6 м/час.
Очистку воды обычно производят твердыми реагентами, которые подают в очищаемую воду в виде измельченного и высушенного порошка (сухое дозирование) либо в виде растворов определенной концентрации (мокрое дозирование).
Емкость баков для приготовления и хранения растворов реагентов определяется в зависимости от расхода очищаемой воды, принятой дозы, числа затворений в сутки, насыпного объема реагентов и концентрации раствора [11,17].
Складские помещения для реагентов должны рассчитываться на хранение 15—30-дневного запаса. Хранение реагентов следует производить в первом этаже здания реагентного хозяйства, и только на станциях большой производительности (75 000—100 000 ма в сутки н выше) склады необходимо строить отдельно.
Пр имер 1. Определить размеры совмещенных затворных и растворных баков (перемешивание воздухом) для станции осветления и обесцвечивания воды с горизонтальными отстойниками полезной часовой производительностью 4 ООО м3. Расчетная доза коагулянта 100 мг/л. В качестве коагулянта применяют сернокислый глинозем с содержанием 30% А12(504)з.
Реагенты можно вводить во всасывающую трубу насоса, подающего воду на очистные сооружения, в напорный трубопровод или в специальные сооружения —смесители различных типов.Подача раствора реагента в напорный трубопровод с точки зрения совершенства смешивания его с обрабатываемой водой менее эффективна, чем смешивание реагентов в смесителях специальных конструкций. Поэтому смешивание реагентов с обрабатываемой водой в напорном трубопроводе рекомендуется только на станциях малой и средней производительности а также при расположении реагентного хозяйства отдельно от очистных сооружений.
При подаче реагентов непосредственно в напорный водовод необходимо, чтобы приемная воронка была выше линии пьезометрического давления воды в трубе в месте ввода раствора реагентов, а также чтобы между местом ввода и концом трубы не было задвижек, применяемых для регулирования поступающей на очистные сооружения воды.
Смеситель с гидравлическим прыжком [20] представляет собой лоток, имеющий горизонтальное дно, щит и водослив фис. 12). У щита создается гидравлический прыжок, который позволяет сделать такую установку более компактной и уменьшает потери энергии в смесителе. Подача реагента производится перед щитом. Для регулирования работы смесителя щит устраивается подъемным, а высота водослива может изменяться. Такая установка хорошо работает и при изменении расхода обрабатываемой воды.
Глубина воды в лотке после смесителя к определяется из условия скорости воды в нем 0,4—0,6 м/сек, при этом ширина отводящего лотка Ь принимается несколько меньшей, чем ширина смесителя Ь.
Смесители мешалочного типа основаны на принципе механического перемешивания обрабатываемой воды с реагентами. Применение механических смесителей особенно удобно при введении нескольких реагентов.Расчет механических смесителей сводится к определению объема камеры, мощности и диаметра мешалки [11].
Пр и м е р 2. Рассчитать дырчатый смеситель для очистной станции производительностью раСч. = 0,2 м3!сек.Отверстия распределяем по вертикали в 8 рядов и по горизонтали в 9 рядов.Пр и м е р 3. Рассчитать механический смеситель пропеллерного типа для станции очистки с производительностью 1000 м3/час.
Камеры реакции очистных сооружений предназначены для Протекания физико-химических процессов осветления и обесцвечивания воды при обработке ее коагулянтами и образования хлопьев гидроокисей алюминия или железа.
Водоворотная камера реакции представляет собой цилиндрический металлический или железобетонный резервуар, в верхнюю или нижщою часть которого поступает вода по трубопроводу, снабженному на конце соплами-насадками (рис. 18).
В лопастных камерах реакции перемешивание воды осуществляется при помощи мешалок (лопастей) с электроприводом, вращающихся вокруг горизонтальных или вертикальных осей (рис. 20). Скорость движения воды в лопастных камерах принимается в пределах 0,2—0,5 м/сек, время пребывания воды в них 20—30 мин.
П р и м е р 2. Рассчитать перегородчатую камеру реакции с горизонтальной циркуляцией воды для очистных сооружений с расчетной производительностью 5000 м3/час.По СН 54-59 принимаем время пребывания воды в камере 30 мин., скорость циркуляции воды в камере 0,3 м/сек.
Осадочные бассейны (отстойники) очистных сооружений при реагентных методах очистки предназначены для выделения из воды основной массы отработанного сорбента — хлопьев гидроокисей алюминия и железа вместе с элементами загрязнения.
Радиальные отстойники (рис. 27) представляют собой разновидность горизонтальных отстойников. Вода в отстойник попадает по центральной трубе и движется по радиальным направлениям от центра к периферии.
Пример 1. Рассчитать вертикальные отстойники для очистных сооружений с расчетной производительностью (2 = 24000 м3 в сутки или q = 0,278 м31сек. Очистке подвергается вода, содержащая минеральные взвеси, в связи с чем скорость восходящего потока воды может быть принята равной 0,6 мм!сек. Исходя из высотной схемы очистных сооружений высота отстойников равна 5 м.
В практике обработки воды широкое распространение получил метод осветления воды от коагулированных загрязнений, осуществляемый в специальных сооружениях —осветлителях. В этих установках обрабатываемая вода проходит снизу вверх через слой выделяющегося из воды осадка , поддерживая его во взвешенном состоянии. Осветленная вода удаляется при помощи сборных желобов, расположенных в верхней части осветлителя. Избыток постоянно пополняющегося осадка отсасывается в шламоуплот-нитель и оттуда удаляется в водосток.
При выборе расчетной скорости восходящего потока воды следует ориентироваться на данные табл. 10. В этой же таблице приведено примерное содержание взвешенных веществ в рабочем слое осветлителя (с3) при скорости восходящего потока в зоне осветленной воды (иэ), равной 0,5 мм ¡сек [13,24].
Схемы осветлителей с дырчатым дном и центрально расположенными в них уплотнителями осадка приведены на рис. 28.Иногда в осветлителях большого сечения устраиваются вертикальные перегородки, которые делят площадь осветлителя на отдельные отсеки. Верх этих перегородок располагается выше толщи взвешенного слоя на 0,5—0,7 м, а низ их не доходит до дырчатого дна на 0,3—0,4 м.
Очищаемая вода подводится тангенциально при помощи сопел. Одновременно в коническую часть подается раствор реагентов по радиально расположенным трубопроводам.Далее вода с раствором реагента проходит через горизонтальные и вертикальные смесительные перегородки и поступает в зону сорбционной сепарации, регулирования структуры и возраста шлама. Осветленная вода проходит через дренажную решетку, поступает в желоба или дырчатые трубы и трубопроводом отводится на фильтры.
П р и мер 1. Рассчитать осветлитель коридорного типа с вертикальным шламоуплотнителем для очистных сооружений с производительностью 500 м3/час. Очищается вода поверхностного источника с максимальным содержанием взвешенных веществ 400 мг/л, цветностью 60° и щелочностью 2,5 мг-экв/л. Доза безводного сернокислого алюминия 100 мг/л и извести 40 мг/л.
Из формулы видно, что скорость фильтрования тем выше, чем больше размеры взвешенных в воде частиц.Наиболее распространенным фильтрующим материалом является кварцевый речной или карьерный чистый (отмытый от глинистых частиц) песок, уложенный на поддерживающие слои гравия или гальки. В последнее время получили распространение комбинированные фильтрующие слои песочно-антрацитовый [28J и песочно-мраморный [29J.
Схема такого фильтра приведена на рис. 45. Вода, предварительно осветленная в отстойниках или осветлителях, через карман и желоб поступает на фильтрующий слой песка. Пройдя через него и поддерживающие слои гравия, она попадает в дренажную систему и отводится по водоводу в резервуар чистой воды.
В основу конструктивного решения фильтров АКХ, разработанных в Академии коммунального хозяйства им. К- Д- Памфилова, положен принцип двухстороннего фильтрования воды с отводом фильтрата трубчатой дренажной системой, расположенной в толще фильтрующего слоя [31]. Часть обрабатываемой воды фильтруется сверху вниз через верхний слой загрузки, основная же масса ее —снизу вверх через нижний слой. Наличие двухстороннего движения воды обеспечивает статическую устойчивость фильтрующего слоя.
Напорные фильтры широко используются в промышленной водоподготовке. Они представляют собой закрытые стальные, цилиндрические резервуары, рассчитанные на внутреннее рабочее давление до 4—6 атм. Эти фильтры, как и самотечные, имеют дренаж, фильтрующий слой, иногда и поддерживающие слои. Кроме того, они оборудуются соответствующей арматурой для подвода и отвода фильтруемой воды, а также для подачи промывной воды и воздуха для продувки.
В основу работы сверхскоростных фильтров положен принцип ускоренного фильтрования (скорость в пределах 25—100 м/час). В практике водоподготовки для грубого осветления получил распространение сверхскоростной фильтр системы Г. Н. Никифорова [34]. Этот фильтр представляет собой вертикальный стальной резервуар цилиндрической формы, внутри которого размещен второй цилиндр меньшего диаметра (рис. 58). Кольцевое пространство между стенками обоих цилиндров разделено радиально расположенными перегородками на 8 отсеков-фильтров с песчаногравийной загрузкой. Фильтруемая вода поступает по трубе в распределительный колпак, а из него через щели в отсеки-фильтры.
Пр и м е р 1. Рассчитать скорые самотечные фильтры для очистных сооружений производительностью 37500 м3 в сутки.Диаметр труб ответвлений принимаем равным 100 мм, что отвечает скорости воды в них 2,04 м/сек.
Теоретические основы метода контактного осветления • воды и конструктивная разработка контактных осветлителей осуществлены в Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова под руководством Д. М. Минца.
Скорости восходящих и нисходящих потоков воды в отделениях входных камер принимаются равными 50 мм!сек. Исходя из этой скорости, определяют их сечение. Высота входных камер выбирается так, чтобы уровень воды в них был выше кромки желобов в контактных осветлителях на 2,5—3 м.
Пример 1. Рассчитать контактные осветлители для очистных сооружений производительностью 1000 м31час.Принимаем габариты сеток 2 х 1 м. Для подъема их необходимо иметь тельфер грузоподъемностью 0,5 т.Продолжительность работы.24 час.
Обеззараживание является непременным условием при под готовке воды для хозяйственно-бытовых целей [36,37].Существующие в практике водоподготовки методы обеззараживания воды делятся на реагентные и безреагентные.
Сущность обеззараживающего действия хлора заключается в хлорировании и окислении веществ, входящих в протоплазму клеток бактерий, что приводит к их гибели. Наиболее чувствительными к хлору являются бациллы брюшного тифа, дизентерии и холерные вибрионы.
Обеззараживание воды ионами серебра может осуществляться несколькими способами: методом контактирования воды с развитой поверхностью металла, методом непосредственного растворения в воде солей серебра и электролитическим способом [41].
В качестве источников бактерицидного излучения используют ртутно-кварцевые лампы высокого давления и бактерицидные аргоно-ртутные лампы низкого давления. Эти лампы представляют собой прямолинейные кварцевые трубки диаметром 15—20 мм с оксидными электродами. Лампы высокого давления типа ПРК-2, ПРК-4, ПРК-5 и ПРК-7 (давление в пределах 400 — 800 мм рт. ст., температура оболочки 250—300°) мало эффективны, так как они дают ультрафиолетовые лучи, в основном, с длиной волны 3650—3660 А°.
Пример 1. Рассчитать рабочие баки для хлорирования воды хлорной известью. Производительность водоочистной станции — 250 м3/час. Доза активного хлора — 0,5 мг/л.Расчет баков для хлорной извести производится по формуле (1-Х).
Умягчением воды в технике называется процесс ее обработки, в результате которого из нее удаляются катионы, обусловливающие жесткость, то есть Са2+ и Mg2+■ По ГОСТ 2874-54 жесткость воды, предназначенной для хозяйственно-бытовых целей, не должна превышать 7 мг-экв/л. По согласованию с органами санитарного надзора эта норма может быть увеличена до 14 мг-экв/л. При большом содержании солей жесткости природные воды наряду с процессами осветления, обесцвечивания, обеззараживания и т. д. должны подвергаться умягчению. Однако в большинстве случаев используемые водопроводами источники имеют жесткость, отвечающую нормам хозяйственно-бытовых вод, и в умягчении не нуждаются. Умягчение воды производится, главным образом, при подготовке ее для технических целей, особенно для паросило-рого хозяйства.
Для удаления из воды ионов кальция и магния в технике применяются известь, сода, реже едкий натр; гипс и хлористый кальций; при глубоком умягчении — тринатрийфосфат, в особых случаях — гидроокись или соли бария [33 , 43, 44].
Снижение жесткости воды методом катионного обмена основано на способности некоторых природных или искусственных веществ, практически нерастворимых в воде, обменивать находящиеся в их составе ионы N8+ и Н+ на ионы Са2+ и 2+, обусловливающие жесткость воды [43, 44, 46]. Процесс обмена катионов рассматривается в настоящее время как обратимая гетерогенная химическая реакция, протекающая на поверхности твердой фазы катионита.
Требования к очищенной воде: жесткость 2 мг-экв/л, мутность 5 мг/л.Расчет производим только для умягчительной установки.При отсутствии данных по умягчаемости воды расход реагентов при содово-известковом методе можно ориентировочно рассчитать по уравнениям реакций.
Процесс удаления солей из воды в зависимости от степени их извлечения называется обессоливанием или опреснением. При обессоливании воды концентрацию растворимых солей доводят до предела, близкого к содержанию их в дистиллированной воде; при опреснении — до содержания их в пресных водах.
Привкусы и запахи, возникающие вследствие повышенного содержания железа, солей, сероводорода или хлора, удаляются посредством обезжелезивания, обессоливания, дегазации и дехлорирования.При устранении привкусов и запахов, вызываемых органическими веществами, используются окислительные и адсорбционные методы, а также методы, основанные на летучести этих веществ. В качестве окислителей применяются хлор, марганцевокислый калий, озон. В качестве адсорбентов — активированный уголь. Летучие вещества, придающие воде привкусы и запахи, удаляются аэрированием.
Щтс. и рНнас. —щелочность и pH воды после встряхивания ее с осажденным карбонатом кальция.Для упрощения расчетов по этому уравнению составлены таблицы и номограммы 151].При значениях Сх или С2, равных 1, а также при / = 0 вода стабильна. Если С или С2 < 1, а I имеет отрицательное значение, вода агрессивна. В случаях, когда С или С2 > 1, а / имеет положительное значение, вода склонна к отложению карбоната кальция.
Дегазация воды может осуществляться дождеванием, фонтанированием, пропусканием через градирни и применением дегазаторов.Дождевание воды производится при помощи специальных приспособлений. В простейшем случае они представляют собой деревянные продырявленные ящики, помещаемые над приемными резервуарами. Высота падения воды в таких сооружениях принимается в пределах 2—3 м.
В тех случаях, когда pH воды после аэрации меньше 7, ее подщелачивают или пропускают через фильтр, загруженный катализатором.В установках по обезжелезиванию воды, когда не требуется повысить pH воды, аэрирование осуществляют путем введения воздуха во всасывающую трубу насоса, а также подачей его в воду при помощи инжектора или компрессора.
Для взвешивания реагентов, доставляемых на станцию автомашинами, используются десятитонные автомобильные весы АВ-10. Баллоны со сжиженными газами взвешиваются на передвижных металлических весах, характеристика которых приведена в табл. 34.
В процессе эксплуатации фильтров наблюдаются потери фильтрующей загрузки (песка, дробленого антрацита, мраморной крошки и др.). Для приготовления и хранения постоянного запаса отсортированного, промытого фильтрующего материала, необходимого для периодической догрузки фильтров, на очистных сооружениях должно быть организовано песковое хозяйство, в специальном здании, расположенном в непосредственной близости к фильтрам. В нем устраивают закрома (или площадки) с бетонными или асфальтовыми полами для хранения запаса отсортированного и промытого песка антрацита и мраморной крошки, площадки для временного хранения неотсортированных и непромытых фильтрующих материалов, устанавливают механизмы для дробления и рассева последнего, аппаратуру для сортировки, мойки и транспортирования фильтрующих материалов.
На рис. 147 приведен автоматический дозатор Кульского и Смирнова струйного типа для подачи в воду осветленных растворов реагентов (хлорная вода, хлорная известь, раствор коагулянта и др.) применяется в условиях работы небольших водопроводов. [63].
Нормальная работа фильтров обеспечивается постоянным наблюдением за режимом их работы по специальным приборам-указателям потери напора, скорости фильтрации, мутности воды и интенсивности промывки.Указатели скорости фильтрации устанавливаются на трубопроводах, отводящих отфильтрованную воду для контроля скорости фильтрования.
Применение различных типов контрольно-измерительных приборов для определения и регулирования качественно-количественных показателей очистки воды зависит от принятой технологической схемы, типа сооружений и вспомогательного оборудования. Оснащение очистных сооружений контрольно-измерительными приборами, характеризуя культуру производства, позволяет автоматизировать ряд технологических процессов и повысить качество очистки воды. Однако оснащение это не должно приводить к излишествам, а охватывать измерение основ параметров очистки, обеспечивающих ее качество в соответствии с нормами госта [70].
В процессе проектирования водопроводных очистных сооружений наряду с выбором методов обработки воды, состава и типов отдельных сооружений и оборудования, необходимо также подобрать наиболее целесообразное решение взаимного расположения всех элеиентов станции очистки воды на генеральном плане строительной площадки [10,11].Такая компоновка сооружений и оборудования, а также вспомогательных помещений станции должна предусматривать минимальные капиталовложения в строительство, удобство и экономичность эксплуатации, бесперебойность работы, планомерное расширение при росте водопотребления. Проектировщики должны непосредственно участвовать в выборе площадки для строительства.