Методы подготовки воды питьевого качества. Расчеты комплексов по подготовки воды питьевого качества для городских систем водопотребления

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет Кафедра “Энергетические и санитарно-технические системы” Утверждаю Декан горно-строительного факультета ___________________Р.А. Ковалев “______” _____________2009г. Лекции по дисциплине “Водоснабжение. Очистка природных вод” Направление подготовки инженера 5 лет: 270100 – “Строительство” Специальности: 270112 Водоснабжение и водоотведение Формы обучения: очная. Тула 2009 Лекции составлены к.т.н. Н.Н. Корнеевой и обсуждены на заседании кафедры “Энергосбережение и санитарно-технические системы” горно-строительного факультета. протокол № ________ от “_____” ______________2009г. Зав. кафедрой____________________В.М. Степанов Лекции пересмотрены и утверждены на заседании кафедры “Энергосбережение и санитарно-технические системы” горно-строительного факультета: протокол № ________ от “_____” __________ 2010г. Зав. кафедрой____________________М.В. Степанов I Цели и задачи изучения дисциплины. Целью изучения дисциплины “Водоснабжение” является: освоение студентами вопросов проектирования и расчета систем и схем водоснабжения населенных мест, изучение комплексов подготовки воды питьевого качества. В этой связи, задачами курса является: изучение методов подготовки воды питьевого качества, методов расчета комплексов по подготовки воды питьевого качества для городских систем водопотребления. II Содержание дисциплины. Введение в дисциплину. Требования к качеству воды потребителей и качество воды в источниках питьевого водоснабжения. 1.Улучшение качества воды. Вопросы проектирования водоочистительных комплексов. 1.1. Высотное расположение сооружений. 1.2. Компоновка водоочистных комплексов. 2. Камеры хлопьеобразования. 2.1. Водоворотная камера. 2.2. Перегородчатая камера. 2.3. Вихревая камера. 2.4. Камера хлопьеобразования зашламленного типа. 2.5. Механические камеры. 3. Теоретические основы процесса осаждения. 3.1. Осаждение монодисперсной взвеси. 3.2. Осаждение полидисперсной взвеси. 3.3. Осаждение агрегативно-неустойчивой взвеси. 4. Классификация отстойников. Конструкции и расчеты. 4.1. Классификация отстойников. 4.2. Конструкция и расчет горизонтальных отстойников. 4.3. Конструкция и расчет вертикальных отстойников. 4.4. Конструкция и расчет радиальных отстойников. 4.5. Конструкция и расчет тонкослойных отстойников. 5. Теория осветления воды в слое взвешенного осадка. 5.1. Осветлители – принцип работы. 5.2. Стесненное осаждение. 5.3. Основные закономерности осветления воды в слое взвешенного осадка. 5.4. Технологическое моделирование процесса осветления в слое взвешенного осадка. 6. Конструкции осветлителей со слоем взвешенного осадка. Расчет. 6.1. Коридорный осветлитель. 6.2. Прессипитатор. 6.3. Акселиратор. 6.4. Расчет осветлителей со слоем взвешенного осадка. 7. Удаление примесей воды фильтрованием. 7.1. Основные понятия. 7.2. Классификация фильтров. 7.3. Фильтрующие материалы для зернистых фильтров. 7.4. Поддерживающие слои. 7.5. Основы теории фильтрования. 8. Конструкции и конструктивные особенности фильтров. 8.1. Медленные фильтры. 8.2. Скорые фильтры. 8.3. Крупнозернистые фильтры. 8.4. Напорные фильтры. 8.5. Намывные фильтры. 8.6. Сетчатые фильтры. 9. Распределительные системы, системы промывки фильтров. 9.1. Распределительная система фильтров. 9.1.1. Трубчатый дренаж большого сопротивления. 9.1.2. Щелевые распределительные устройства. 9.1.3. Ложное щелевое дно большого сопротивления. Система с горизонтальной компенсацией. 9.1.4. Система с щелевым днищем малого сопротивления. 9.1.5. Колпачковая распределительная система. 9.1.6. Дренаж из пористого полимер-бетона. 9.2. Промывка фильтров. 9.2.1. Промывка фильтров обратным током. 9.2.2. Верхняя промывка. 9.2.3. Водяная промывка. 9.2.4. Водовоздушная промывка. 11.Префильтры, контактные осветлители. 11.1. Контактные осветлители. 11.1.1. Принцип работы. 11.1.2. Конструкция. 11.2. Префильтры 11.2.1. Принцип работы. 11.2.2. Конструкция. 12. Обезораживание. Повторное использование промывных вод. 12.1. Обезораживание воды. 12.2. Сооружения для обработки промывных вод. 13. Дезодорация, фторирование и обесфроривание. 14. Обезжелезивание и умягчение воды. III Распределение часов по семестрам и видам занятий. Объём часов, отводимых учебным планом на освоение учебно-программного материала – 83 Семестр Занятия с преподавателем Выполнение курсовых заданий Др. самост. Внеаудит. работа Виды отчетности Лекции Практ. занят. Лабор. занят. Итого ККР КП(КР) 8 17 - 17 34 - - 40 9 зачет Итого по дисц. 17 - 17 34 - - 40 9 зачет IV Темы, выносимые на лекции. № пп лекций Разделы, подразделы, пункты содержания дисциплины выносимые на лекции Примечание Восьмой семестр 1 1; 1.1; 1.2; 2; 2.1; 2.2; 2.3; 2.4; 2.5 2 3; 3.1; 3.2; 3.3; 4; 4.1; 4.2 3 4.3; 4.4; 4.5 4 5; 5.1;5.2;5.3;5.4 5 6; 6.1; 6.2; 6.3;6.4 6 7; 7.1;7.2;7.3;7.4;7.5 7 8; 8.1;8.2;8.3;8.4;8.5;8.6 8 9; 9.1;9.1.1;9.1.2;9.1.3;9.1.4;9.1.5;9.1.6; 9.2; 9.2.1;9.2.2;9.2.3; 9.2.4 9 11; 11.1; 11.1.1;11.1.2; 11.2; 11.2.1; 11.2.2; 12; 12.1;12.2;13;14 V. Лекции 1.Улучшение качества воды. Вопросы проектирования водоочистительных комплексов. 1.1Высотное расположение сооружений. Технологические схемы очистки природной воды подбираются в зависимости от качества воды в источнике и требований потребителя с учётом рекомендаций СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» (т.15). Способы движения воды по очистной станции: -Напорный -Самотечный Напорный режим движения выбирается для станций с малой производительностью. Для крупных очистных станций чаще выбирается самотечный режим, поэтому особую роль играет высотное расположение относительно друг друга основных сооружений или по- другому высотная схема очистной станции. На высотно-технологической схеме указывают все основные сооружения , вспомогательные сооружения, повысительные установки, уровни воды в сооружениях и отметки дна сооружений. Для повысительных установок указываем отметку оси насоса. Высотное расположение сооружений на станциях регламентируются в СНиП (п.6.218-6.220). Составление схемы начинается с самого низкого уровня воды, РЧВ, причём этот уровень сравнивают с наивысшим уровнем воды в водоёме. К уровню воды в РЧВ постепенно прибавляют максимально-возможные потери напора во всех последующих сооружениях (определяются расчётом или для предварительных расчётов их берут из СНиП),прибавляют потери напора в коммуникациях(трубопроводах) между сооружениями, которые определяются по т. Шевелёва в зависимости от диаметра труб и предельных скоростей. Потери напора в сооружениях указаны в СНиП(п.6.219). Уровень воды в РЧВ принимают 0,25-0,5м выше проектной отметки земли на площадке очистной станции. Максимальная скорость движения в соединительных коммуникациях: -от НС до смесителя -от 1 до 1,2 м/с; -от смесителя до камеры хлопьеобразования – от 0,8 до 1м/с; -от отстойника к фильтру – от 0,8 до 1,2 м/с ; -от фильтра до РЧВ – от 1 до 1,5 м/с ; -трубопровод промывной воды – 1,5-2 м/с ; -канал отвода промывной воды – 1,5-2 м/с ; При построении Очистной станции и высотно-технологической схемы необходимо учитывать рельеф местности. Желательно, чтобы движение воды по сооружениям совпадало с уклоном местности. На высотной схеме указывается реагентное хозяйство, а также сооружение по обработке промывной воды. 1.2 Компоновка очистной станции. СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.»(п.6.218; 14.1-14.3) Основные принципы расположения сооружений на водопроводных станциях: 1. Компактное расположение сооружений вспомогательных помещений и оборудования; 2. Минимальные капитальные вложения; 3. Минимальная длина трубопроводов между сооружениями; 4. Удобство обслуживания сооружений, монтажа и ремонта; 5. Надёжность сооружений; 6. Возможность расширения; На генплан наносят основные технологические сооружения (СНиП п.14.3). Территория очистной станции должна ограждаться с соблюдением требований (СНиП 14.4) Первый пояс санитарной охраны предусматривает глухое ограждение на высоту 2,5м, должно быть прямолинейным без изгибов. Примыкание к ограждению любых сооружений, кроме проходных и АБК недопустимы. Также предусматриваются специальные средства охраны, запретная зона 5-10м; с внутренней стороны ограждены колючей проволокой 1-2м, тропа внутри запретной полосы шириной 1м на расстоянии 1м от ограждения, осветительные столбы по периметру на расстоянии не более 50м . Расстояние от РЧВ, здания фильтров, контактных осветлителей не менее 30м от ограждения; от остальных сооружений стволов водонапорной башни-15м. Ко всем зданиям и сооружениям должен быть обеспечен подъезд, шириной презда-5,5м. Сопряжение дорог,радиусом-8м. Проходы между сооружениями 0,7-1м к колодцам и камерам переключения ( в которых установлены задвижки, диаметром 600мм. и более), должен быть обеспечен подъезд машин. Отстойники и осветлители со слоем взвешенного осадка группируются в блоки с проходами. Камеры хлопьеобразования в зависимости от их типов объединяются с отстойниками или встраиваются в них. 2. Камеры хлопьеобразования. Предназначены для создания благоприятных условий, для завершающей стадии процесса коагуляции, чему способствует плавное перемешивание потока жидкости. По принципу действия камеры хлопьеобразования делятся: -гидравлические (водоворотные камеры, перегородчатые, вихревые, зашламлённого типа); -Механические (флокуляторы); Для получения крупных хлопьев, вода должна находится в камере от 10 (вихревые) до 40 минут и более (механические) при постоянном перемешивании. Тип камеры хлопьеобразования выбирается в зависимости от качества исходной воды и конструкции последующего отстойника. Если в схеме основных сооружений предусмотрен вертикальный отстойник, удобно применять водоворотную камеру, так как она может встраиваться в вертикальный отстойник. При применении горизонтальных отстойников, применяют вихревые, перегородчатые, и камеры зашламлённого типа. 2.1 Водоворотная камера хлопьеобразования. Рис. 8.3. Вертикальный отстойник с водоворотной камерой хлопьеобразования: 1 - подача воды; 2 - распределительные сопла; 3 - камера хлопьеобразования; 4 - решетка-гаситель; 5 - вертикальный отстойник; 6 - сборный карман; 7 - отвод осветленной воды 8 - удаление осадка; 9 - сборный кольцевой желоб Водоворотная камера хлопьеобразования совмещена с вертикальным отстойником и размещается в центральном стакане. Вода подаётся по трубопроводу 1 и заканчивается Соплом 2. Выходя из Сопла (скорость 2-3 м/с), ударяясь о стенку, струи воды приобретают вращательное движение вдоль стенок камеры хлопьеобразования, при этом двигается сверху вниз. Для гашения вращательного движения потока и скорости на выходе из камеры хлопьеобразования устраивают гаситель 5, высотой 0,8-1м., и ячейки 0,50,5м. Время пребывания воды в этой камере 15-20 минут. 2.2 Перегородчатая камера хлопьеобразования. Конструкцию данных камер применяют на очистных сооружениях при расходах более 40-45 тыс. м/сут. (с горизонтальным движением воды), при расходах менее 40 тыс.м/сут. применяются перегородчатые камеры с вертикальным движением воды. Рисунок 2. Перегородчатый смеситель: 1 - трубопровод подачи воды на смеситель; 2 - переливная камера; 3 - переливной трубопровод; 4 - перегородки; 5 - проходы для воды в перегородках; 6 - трубопро­вод ввода реагента Данная камера представляет собой железобетонный резервуар с перегородками (продольными, а) или (перпендикулярными, б), образующих каналы или ячейки. Ширина коридоров не менее 0,7м. По ходу движения воды, ширина коридоров увеличивается, в виду чего скорость движения воды падает от 0,2-0,3 м/с в начале движения до 0,05-0,1 м/с в конце камеры хлопьеобразования. Нижний предел скорости берётся для расчётов мутных вод (мутность 250-1500 мг/л), верхний предел скоростей для цветных вод и низких температурах воды в зимний период. С помощью подключения или отключения коридоров, регулируется время пребывания воды в камере(20-30 мин). Днище камеры хлопьеобразования устраивается с уклоном 20-30% для удаления осадка. 2.3 Вихревая камера хлопьеобразования. Применяют на станциях при любых расходах. Выполняется в виде железобетонного, пирамидального, конического. Конструкция данной камеры похожа на конструкцию вихревого смесителя. Угол конусности от 50-70. Рисунок 3 Данные камеры обычно встраиваются в отстойник или пристраиваются вплотную к нему. Принципы работы заключаются в плавном перемешивании воды при движении снизу вверх и значительном снижении скорости, скорость выхода воды из распределительных труб 0,7-1м/с. Скорость движения воды по камере хлопьеобразования 40-50мм/с. Время пребывания воды в этой камере от 6 до 12 мин. 2.4 Камера хлопьеобразования зашламлённого типа (со слоем взвешенного осадка). Используются на станциях с любой производительностью для осветления средних и мутных вод. Выполняются встроенными в горизонтальный отстойник из расчёта одна камера на одну секцию отстойника. Дно выполняется пирамидальным с углом конусности 45 . В основании пирамиды помещают распределительную трубу. Расстояние от стенки камеры хлопьеобразования до трубы не более 1м. Расстояние между водораспределительными трубами не более 2м. Скорость восходящего потока 0,65-1,6 мм/с. Для средних вод 0,8-2,2мм/с для мутных вод. При такой скорости движения воды образуется и поддерживается во взвешенном состоянии слой осадка, который является центром коагуляции. Хлопья образуются устойчивые. Рисунок 4. Встроенная камера хлопьеобразования со слоем взвешенного осадка: 1 - подача воды; 2 - трубопровод опорожнения; 3 - камера хлопьеобразования; 4 - поперечные перегородки; 5 - водослив; 6 - полупогружная перегородка; 7 - гори­зонтальный отстойник; 8 - водораспределительные трубы; 9 - сброс осадка из от­стойника 2.5 Механические камеры хлопьеобразования (флокуляторы) Перемешивание воды достигается вращением мешалок, которые приводятся в движение с помощью электродвигателя. Различают лопастные камеры с вертикальной и горизонтальной осью вращения мешалок. Флокулятор представляет собой железобетонный резервуар, рассчитанный на 10-60 минутное пребывание воды В центре камеры располагается вертикальная ось с сидящим на ней барабаном и закреплёнными на барабане лопатками. Средняя скорость движения воды 0,2-0,5 м/с. Чаще всего эти камеры представляют собой единое сооружение по смешиванию воды с реагентами и отстаиванию обработанной воды. Рисунок 5. Механический смеситель пропеллерного типа: 1 - трубопровод подачи воды на смеситель; 2 - трубопровод ввода реагентов; 3 - электродвигатель; 4 - лопастной винт; 5 - трубопровод отвода воды со смесителя; 6 - смесительная камера 3. Теоретические основы процесса осаждения Отстойники -это сооружения для выделения из воды основной массы взвеси гравитационным осаждением частиц, имеющих плотность большую, чем вода. На характер осаждения частиц влияет их размер, форма, вязкость среды, наличие движения в среде(температурный режим), которые влияют на коэффициент сопротивления воды. Различают три типа взвеси: 1) монодисперсная, состоящая из частиц примерно одного размера и одной гидравлической крупности при t=10С; 2) Полидисперсная, частицы имеющие различную форму и размер, гидравлическую крупность. Встречаемая в практике водоподготовки вода, имеет всегда полидисперсную взвесь, а при коагулировании приходится иметь дело с осаждением. 3) Агрегативно-неустойчивой взвеси частицы при осаждении изменяют свой размер и структуру. 3.1 Осаждение монодисперсной взвеси. Рассмотрим наиболее простой случай осаждения монодисперсной взвеси в неподвижной воде. Z=0; G=R+P; (1) ; (2), где -объём частицы; R=;(3) P ; (4) =; W=; ; Найдём скорость выпадения монодисперсной взвеси: ; (5) где: коэффициент сопротивления зависит от физических свойств жидкости, вязкости, температуры, определяется опытным путём, кроме этого на коэффициент сопротивления влияет скорость движения и число Рейнольдса: R=; ; (6), где кинематический коэффициент вязкости; абсолютная вязкость; Профессор Зигже – отношение от R: Рисунок 6 Для этого графика характерны 3 участка: 1)Область маленьких чисел R, меньше 2 (ламинарный режим движения-малые скорости и малые частицы), коэффициент сопротивления находится: ; () (7) ; (8) 2) При числах R(2-50)-режим переходный. Коэффициент сопротивления находится по формуле: ; 3) С увеличением скорости движения частиц и увеличения размера частицы возникает турбулентность и на коэффициент сопротивления, числа R влияет не значительно. Скорость определяется: ; (9) Если взвесь монодисперсная, то зависимость между количеством выпавшей в осадок взвеси и времени отстаивания линейны. Рисунок 7: Угол наклона данной линии зависит от скорости осаждения частиц. 3.2 Осаждение полидисперсной взвеси. Большинство взвесей, содержащихся в природной воде, а также образующейся в процессе коагуляции неоднородны по форме, по размерам и по массе, поэтому характер осаждения такой взвеси устанавливается экспериментально путём лабораторных исследований, определяется количество выпавшей взвеси из проб через разные промежутки времени (через каждый час), составляют кривые выпадения взвеси: Рисунок 8 Чем больше выгнута кривая, тем больше неоднородная взвесь содержится в воде. Время осаждения взвеси t, зависит от высоты слоя пробы ; Эта кривая позволяет определить какой процент взвеси осаждается в течение любого заданного промежутка времени. В точке А, проводится касательная к кривой, абсцисса точки А-время выпадения взвеси, ордината-количество взвеси, выпавшей за это время. Тангенс угла касательной равен приращению количества взвеси за определённый отрезок времени: ; (10) Ясно, что в каждый момент времени t на дно выпадают частицы всех размеров, кроме частиц выпавших заранее в осадок , то есть гидравлической крупностью U; поэтому tg-это скорость накопленной полидисперсной взвеси с гидравлической крупностью U; По графику видно, что полное количество взвеси на долю частиц с гидравлической крупностью U приходится количество частиц P: Р=t; Количество взвеси, приходящейся на гидравлическую крупность U-величина Р: Р=Р-Р; Для того, чтобы исключить влияние высоты опытных цилиндров строят зависимость от гидравлической крупности U: Рисунок 9 Эффект осветления: Э= ; (11) где: с- исходное количество взвешенных веществ в воде с-количество взвеси после отстаивания 8-12 мг/л Для частиц одинаковой крупности можно составить зависимость (12): ; Хорошо использовать при проектировании отстойников. ; ; (13) 3.3 Осаждение агрегативно-неустойчивой взвеси. Для такой взвеси линейной зависимости не будет, то есть отношение (12) будет иметь вид: ; n - показатель степени, учитывающий отклонение от линейной зависимости. n-всегда (0,2-0,5). 4. Классификация отстойников. Конструкция и расчёт горизонтальных отстойников 4.1 Классификация. Классифицируют по схеме движения воды по сооружениям(4 основных типа): 1. Горизонтальные отстойники 2. Вертикальные отстойники 3. Радиальные отстойники 4. Тонкослойные отстойники. 4.2 Конструкция и расчёт. При осаждении частиц в отстойниках, на характер осаждения влияет турбулентная составляющая вертикальных пульсаций. Схема осаждения частиц в горизонтальном отстойнике выглядит следующим образом. Для предварительных расчётов, вертикальную составляющую ищут, исходя из горизонтальных составляющих. Так как расчётная схема берется для наиболее благоприятного случая, то есть для частицы, находящейся в верхних слоях потока воды соответственно имеющей наибольший путь движения от поверхности потока до его дна. Из отношения находят длину отстойника, причём вводят величину -отношение гидравлической крупности и скорости движения частицы вниз. ; Величина зависит от гидравлической крупности частиц и турбулентности потока или скорости движения воды в отстойнике. Горизонтальную составляющую скорости движения частиц можно найти: ; к =f(); Для горизонтальных отстойников, отношение длины к глубине отстойной части (10-25) L/H0 10 15 20 25 К 7,5 10 12 13,5 Согласно СНиП (п.6.63) рассчитывается площадь отстаивания: F=м; где: q-расчётный расход очистной станции в м Далее определяется ширина отстойника, в СНиП рекомендует сначала принимать ширину отстойника, затем площадь, затем длину. Кроме зоны отстаивания в горизонтальных отстойниках есть зона накопления осадка. Зона накопления осадка определяется по формуле(10) СНиП (п.6.65). Объём зоны накопления осадка зависит от исходной мутности воды. Периоды накопления осадка, мутности воды на выходе из отстойника и концентрации уплотнённого осадка: W=; Т-периоды между сбросами осадка в часах, принимается больше 12 ч-при гидравлическом удалении осадка; принимается более 24 ч-при опорожнении отстойников; С-концентрация взвешенных веществ, мг/л Концентрация взвешенных веществ в отстойной воде (8-12 мг/л) Концентрация взвешенных веществ в исходной воде должна учитывать привнесённые загрязнения с реагентами ф.11 СНиП. Горизонтальный отстойник представляет собой прямоугольный в плане железобетонный резервуар, оборудованный водораспределительными и водосборными устройствами, а также трубопроводами для подвода осветляемой и осветлённой воды и удаления выпавшего осадка. Горизонтальные отстойники применяются на станциях с производительностью свыше 30-50 тыс. м. При любом количестве взвешенных веществ (до 1500 мг/л) применяются отстойники как для осветления некоагулированной взвеси, так и при добавлении реагентов . Зону осветления воды принимают в пределах 3-5 м, а длину отстойника и площади рассчитывают. Основным недостатком данных сооружений является их большая протяжённость. Схематично выглядит следующим образом: Рисунок 10: Длины колеблются от 30-150м. Чтобы уменьшить длину сооружения делают горизонтальный отстойник с поворотом потока воды. Рисунок 11: Рисунок 12: При недопущении перерывов подачи воды на ОС (1 категория-количество отстойников не менее 2). Для равномерного распределения воды по поперечному сечению, предусмотрена система лёгких перегородок, разделяющих горизонтальный отстойник на несколько коридоров, ширина коридора 3-6м. (должно соответствовать шагу колонны). Эти секции отстойника оборудуются водораспределительными устройствами (желоба, водопереливные перегородки) и водосборными устройствами в виде дырчатых желобов различного поперечного сечения. Осадок в отстойниках выпадает неравномерно, и основная его масса находится в передней части отстойника. Для периодического удаления осадка предусматривают уклон днища отстойника в противоположную сторону движения воды. Для цветной воды - уклон 20%, для мутной -30%. Удаление осадка бывает гидравлическим, для этого предусматривают гидроэлеваторы; для плавного сползания осадка к приямку, дно горизонтального отстойника выполняют пирамидальным; угол конусности-45. В основании пирамиды- дырчатые короба или трубопровод. Расстояние между сборными трубами или коробами должно быть не более 3м при призматическом днище. Если днище горизонтальное, то расстояние не должно превышать 2м. Когда ширина секции отстойника принимается-3м, то количество сборных труб-1, если ширина 6м- 2 трубы. При отсутствии дырчатой системы удаления осадка в каждой секции отстойника должен быть лоток для удаления осадка. При мутности более 1500 мг/л должно быть предусмотрено механическое удаление осадка, тогда дно отстойника принимается горизонтальным. Рисунок 13: Водосборные желоба располагаются горизонтально, параллельно стенкам отстойника, длина желобов-2/3. Расстояние между желобами не более 3м., и расстояние от жёлоба до стен не более 1,5м. Вода из сборных желобов поступает в сборный карман. 5. Вертикальные отстойники, радиальные отстойники, тонкослойные отстойники. 5.1 Вертикальные отстойники. Применяются на ОС, при производительности до 5 тыс. м мутности до 1500 мг/л, и цветности до 120. Основные параметры и принципы расчётов изложены в СНиП (п.6.69-6.67). эти сооружения позволяют получить качество воды по мутности 8-15 мг/л, по цветности до 20 Отстойник представляет собой круглый железобетонный резервуар с центральной цилиндрической частью и центральной трубой, представляющий собой водоворотную камеру хлопьеобразования. Вода по трубопроводу 1 через Сопло 2 попадает в камеру ,двигаясь по ней сверху вниз, проходя через гаситель энергии 7, попадает в нижнюю часть зоны осветления, плавно двигаясь вверх, освобождается от взвешенных веществ и собирается кольцевыми желобами 4, по трубопроводу 5 отводится для дальнейшей очистки . Выделившийся из воды осадок скапливается в зоне в, которая устраивается с наклонными стенками, угол конусности 70-80. Для обеспечения плавного сползания к трубе 6,по которой осадок периодически удаляется из отстойника. Выделение из воды взвешенных веществ в данном отстойнике происходит за счёт разницы скорости движения вверх. Рисунок 14 =0,5-0,6; движения жидкости по сооружениям. Расчёт площади поперечного сечения вертикальных отстойников обозначается , и вычисляется по формуле: ; коэффициент объёмного использования; зависит от отношения (1:1,5) Если отношение ,то ; Если отношение , то ; м-боковые сборные желоба; м-радиальные желоба; После расчёта поперечного сечения определяется их количество, при рабочем количестве меньше 6-1 резервный; назначается диаметр отстойников - типовые(4,6,9) После чего рассчитывается сборная система осветлённой воды, перфорация желобов. Удаление осадка из вертикальных отстойников производится без его выключения по трубопроводу 6., в период между сбросами не менее чем через 6 часов. Объём зоны накопления определяется по формуле 10 СНиП. 5.2 Радиальные отстойники. Радиальные отстойники используются на станциях водоподготовки для предварительной очистки вод высокой мутности (свыше 1500 мг/л). При очистке воды с добавлением коагулянта и флокулянта при реагентной очистке, качество воды на выходе из отстойника по мутности 250 мг/л, по цветности-20. При безреагентной очистке мутность понижается на 30-50%, цветность-20. Радиальный отстойник представляет собой круглый железобетонный резервуар, располагаемый вне очистной станции. В центре - распределительная камера в виде цилиндра или диффузора с перфорированными стенками. Рисунок 15. Радиальный отстойник: 1 - подача исходной воды; 2 - скребок; 3 - кольцевой лоток: 4 - вращающаяся ферма; 5 - водораспределительное устройство; 6 - сборный карман; 7 - отвод осветленной воды; 8 - удаление осадка При увеличении возрастают горизонтальные составляющие скорости движения частиц. Когда это отношение становится 3,5; то имеются только радиальные составляющие. Движение воды происходит от центральной части к периферии. Основным преимуществом отстойника является его незначительная глубина. Глубина центральной части отстойника вычисляется: ; i-0,004; R=5-60м; Площадь радиального отстойника ведётся по СНиП (п.6.93): ; где: q-полная производительность очистной станции; U-гидравлическая крупность. f-площадь вихревой зоны; f=; r- радиус диффузора или цилиндрического входного устройства После определения площади радиального отстойника, принимается количество отстойников и диаметр отстойника. Система сборных перфорированных желобов рассчитывается как вертикальный отстойник: Диаметр отверстия-40-50мм; Скорость в этих отверстиях-1м/с; Объём зоны накопления осадка СНиП формула 10. Время между сбросами осадка, если с использованием реагента-12-24 часа; без добавления реагента-4-5 часа. 5.3 Тонкослойные отстойники. Рисунок 16 Используются как самостоятельные сооружения, так и как блоки ,входящие в состав других сооружений. Чаще всего тонкослойные отстойники применяют при реконструкции действующих отстойников с целью интенсификации работы. В данных сооружениях очень маленькая высота отстаивания, что уменьшает удельную нагрузку на площадь отстаивания. Поскольку турбулентность повышает транспортирующую способность отстойника, режим движения воды в отстойнике должен быть ламинарным. Число Re не более 500.Высота отстаивания в тонкослойных отстойниках от 0,15-0,5м, когда в обычных 3-3,5м. Тонкослойные отстойники делятся на: 1) прямоточные; 2)поперечно-точные; 3)противоточные; Рисунок 17 Конструкция этого отстойника применяется при обработке вод, содержащих тяжёлые осадки Рисунок 18 . Применяется для очистки воды от нефтепродуктов. Рисунок 19 Направление движения воды не совпадает с движением осадка. Применяются для очистки вод, содержащих легковзмучиваемый осадок. Места встраивания тонкослойных блоков в другие сооружения: а) в вертикальный отстойник: Рисунок 20. Вертикальный отстойник, оборудованный тонкослойными блоками: 1 - отвод отстоенной воды; 2 - подача исходной воды; 3 - камера хлопьеобразования. 4 - наклонные тонкослойные блоки; 5 - зона распределения воды; 6 - зона накоплс ния осадка; 7 - удаление осадка б) в горизонтальный отстойник: Рисунок 21. Горизонтальный отстойник, оборудованный тонкослойными блоками: 1 - подача исходной воды; 2 - камера хлопьеобразования; 3 - тонкослойные блоки, 4 - сборные желоба; 5 - канал сбора осветленной воды; 6 - отвод осветленной воды, 7 - зона распределения воды; 8 - зона накопления осадка; 9 - удаление осадка Как отдельное сооружение, схема тонкослойных отстойников следующая: а) тонкослойные отстойники из труб Рисунок 22 б) сотовая конструкция Рисунок 22.Конструктивные параметры тонкослойных элементов в блоке: /- длина тонкослойного элемента; bQ - ширина тонкослойного элемента; Но -Высота тонкослойного элемента; Н - высота тонкослойного сотоблока; L - длина тонкослойного сотоблока; В - ширина тонкослойного сотоблока Длина 1,2-1,5м Ширина 0,15-0,2м. Размер встраиваемого блока 1/1,5; Расчёт тонкослойного отстойника сводится к определению геометрических размеров. Продолжительность отстаивания зависит от высоты и гидравлической крупности. Т=; Н-высота отстойника, равна: Н=; где -высота слоя сползающего осадка; высота зоны отстаивания; Скорость движения воды по тонкослойному отстойнику зависит от концентрации взвеси в исходной воде: - при концентрации до 50 мг/л-скорость 1,5 м/с; -при концентрации от 50 до 500 мг/л-скорость 1,7 м/с; -при концентрации от 500 до 5000 мг/л-скорость 2 м/с; - при концентрации более 5000 мг/л-скорость 2,5 м/с; Удельная нагрузка на тонкослойный отстойник: g= V; Зная удельную нагрузку и полную производительность очистной станции найдём количество блоков: n=; Объём иловой части тонкослойного отстойника находится по формуле(10) СНиП. Кроме тонкослойных отстойников, в которых движение воды происходит под действием сил тяжести, существуют напорные тонкослойные отстойники. Рисунок 23 1.исходный трубопровод 2.камера хлопьеобразования 3.напорный тонкослойный отстойник 4.сборный канал 5.отводящий трубопровод. 6. Теория осветлённой воды в слое взвешенного осадка. 6.1 Осветлители - основной принцип работы. Идея метода осветления воды в слое взвешенного осадка возникла в России в 30-х годах 20 века. в процесс работы над вертикальными отстойниками. Конструкция первых осветлителей похожа на конструкцию вертикальных отстойников с увеличенной центральной трубой. Рисунок 24 Осветлители применяются при мутности исходной воды от 50 до 1500 мг/л., при обеспечении равномерной подачи исходной воды. Колебание расхода не более 1м. При обеспечении постоянной температуры исходной воды(колебание температуры не более 1 в час. Данное сооружение позволяет получить воду качества с мутностью 8-15 мг/л, цветность до 20 Осветлители оказываются экономичнее отстойника , при суточной производительности до 50000 м, а применяются с расходов 5000 м. Принцип работы осветлителей можно рассмотреть на схеме работы коридорного осветлителя. Рисунок 25.Схема коридорного осветлителя: Л - рабочие коридоры; В - осадкоуплотнитель; 1 - перфорированные водораспреде-иительные трубы; 2 - слой взвешенного осадка; 3 - зона осветления воды; 4 - сбор­ные желоба; 5 - отвод осветленной воды из осадкоуплотнителя; 6 – осадкоприемные окна; 7 - защитные козырьки; 8 - слой уплотненного осадка; 9 - сброс осадка; 10 - сборный канал; 11 - отвод воды на фильтры; 12 - задвижка, регулирующая отсос избытка осадка; 13 - опорожнение рабочих коридоров Осветлители применяются только при предварительной обработке воды коагулянтом и флокулянтом. Обязательные условия существования взвешенного слоя: 1)должен быть постоянный восходящий поток в сооружении. 2)не должны быть факторы, влияющие на структуру взвешенного слоя 4)постоянство расхода. 5)постоянство температуры. Принцип работы: После смешения реагента с водой, вода по трубопроводу 1 подаётся в зону осветлителя 2 в его нижнюю часть, равномерно распределяясь по площади осветлителя, движется снизу вверх, проходит через слой взвешенного осадка 4, т.е массу взвешенных веществ, находящихся в покое в восходящем потоке жидкости. Взвешенные вещества находятся в непрерывном хаотичном движении, но в целом слой остайтся неподвижным, так как скорость восходящего потока равна скорости осаждения хлопьев. Средняя скорость осаждения хлопьев в осветлителях меньше гидравлической крупности. Это характерно для стеснённого осаждения. При движении воды через слой взвешенного осадка , величина взвешенного слоя постоянно увеличивается. Для отвода излишек взвешенного слоя происходит с помощью окон 5, которые отводят лишний осадок в уплотнитель 3,где он уплотняется и сбрасывается по трубопроводу 11 для дальнейшей обработки. Осветлённая вода отводится желобами 8 и трубопроводами 10 для дальнейшей обработки на фильтр. 6.2 Стеснённое осаждение. Существует два вида осаждения частиц: 1) осаждение в осаждённом объёме, когда осаждение одной частицы не препятствует осаждению других. 2)стеснённое осаждение, когда осаждению мешает осаждение других частиц. Если частица оседает в свободном объёме, то скорость осаждения равна гидравлической крупности. Если частица оседает в концентрированной массе частиц, то скорость стеснённого осаждения всегда меньше гидравлической крупности. Рисунок 26 Скорость осаждения зависит от концентрации взвешенного слоя: -при концентрации 10%-скорость осаждения в 2 раза меньше гидравлической крупности -при концентрации 25%-скорость осаждения в 6 раз меньше гидравлической крупности. Взвешенный в восходящем потоке слой, находится в состоянии стеснённого осаждения. Взвешенный слой размывается, когда скорость восходящего потока становится больше гидравлической крупности. Общее условие состояния взвешенного слоя: ; где -минимальная скорость, из взвешенного слоя начинается выпадение осадка. Если скорость потока приближена к гидравлической крупности, из слоя начинается вымывание взвешенных веществ, выносятся в осветлённую воду. В общем виде движение воды через взвешенный слой можно сравнить с движением воды через пористую структуру. 6.3 Основные закономерности осветления воды в слое взвешенного осадка. Основной закономерностью работы осветлителей является отношение скорости восхождения потока к гидравлической крупности. ; ; К-коэффициент (2,75) С-концентрация хлопьев в слое взвешенного осадка (кг/м); плотность хлопьев ,(кг/м) Критерии подобия для различных скоростей придумали размерный комплекс, который выражается: ; Если этот критерий рассматривать относительно изменения концентрации взвеси по толщине слоя ; Рисунок 27 Для равных значений будут иметься одинаковые значения концентрации. можно использовать для моделирования осветлителей. ; 6.4 Технологическое моделирование процесса осветления в слое взвешенного осадка. Рисунок 28. Лабораторная установка по моделированию: По определяется скорость восходящего потока, толщина слоя, плотность слоя и т.д. После определения этих параметров модельно, приходят к определению натурных осветлителей. Подбираются типовые по , величине взвешенного слоя, плотности. 7. Конструкция осветлителей со слоем взвешенного осадка. 7.1Коридорный осветлитель.(прямоугольный) Представляет собой железобетонный прямоугольный в плане резервуар, разделённый вертикальными перегородками на секции осветления и уплотнения осадка. Особенности осветлителей, СНиП(п.6.77-6.89). На 2 секции осветления- приходится 1 секция уплотнения. При количестве осветлителей меньше 6-1 резервный. Система сбора осветлённой воды рассмотрена в СНиП(п.6.84). Рисунок 29. Схема коридорного осветлителя: Л - рабочие коридоры; В - осадкоуплотнитель; 1 - перфорированные водораспреде-иительные трубы; 2 - слой взвешенного осадка; 3 - зона осветления воды; 4 - сбор­ные желоба; 5 - отвод осветленной воды из осадкоуплотнителя; 6 - осадкоприемные окна; 7 - защитные козырьки; 8 - слой уплотненного осадка; 9 - сброс осадка; 10 - сборный канал; 11 - отвод воды на фильтры; 12 - задвижка, регулирующая отсос избытка осадка; 13 - опорожнение рабочих коридоров Конструктивные особенности описаны в СНиПе 2.04.02-84 п.6.77-6.89. При количестве менее 6 принимается один резервный. Система сбора воды в п.6.84. В качестве воздухоотделителя для коридорного осветлителя выступает вихревой смеситель. 7.2 Прессипитатор. Эти сооружения работают по принципу осветлителей и применяются главным образом в США. Они совмещают в себе механическую камеру хлопьеобразования, осветлитель и уплотнитель осадка. Представляет из себя железобетонный, круглый в плане резервуар. Рисунок 30. 1. Корпус прессипитатора 2. Камера хлопьеобразования 3. Механическая мешалка 4. Трубопровод подачи исходной воды 5. Подача реагентов 6. Зона взвешенного осадка 7. Зона осветлённой воды (защитная зона) 8. Радиальные желоба с дырчатой перфорацией для сбора осветлённой воды 9. Кольцевой водосборный жёлоб 10. Отвод осветлённой воды на фильтры 11. Кольцевые перфорированные трубы для отводы осадка 12. Зона осадкоуплотнителя 13. Отвод осадка в промканализацию. 7.3 Акселератор В осветлителях, шлам имеет тенденцию откладываться на дне, постепенно образуя компактную массу, в толще которой воды прокладывает себе путь в виде отдельных канальчиков. В этих условиях не происходит эффективного контакта между водой и шламом. Нормальная работа осветлителя нарушается. Для успешной работы осветлителя важно, чтобы частицы взвешенного слоя были равномерно распределены в объёме движущейся воды. В некоторых конструкциях осветлителя слой осадка перемешивают механической мешалкой. Рисунок 31 1. Корпус акселератора 2. Трубопровод исходной воды 3. Кольцевая водораспределительная камера 4. Водораспределительные отверстия 5. Механическая камера хлопьеобразования 6. Механическая мешалка 7. Зона взвешенного слоя 8. Радиальные водосборные желоба 9. Кольцевой канал сбора осветлённой воды 10. Трубопровод отвода осветлённой воды 11. Приямок для осадка 12. Трубопровод отвода осадка в промканализацию 13. реагентопровод 14. зона осадка уплотнения 15. первичная камера 7.4 Расчёт осветлителей. Для расчётов осветлителей основными параметрами являются : 1. скорость восходящего потока в зоне осветления (по нему рассчитывают площадь зоны осветления) 2. коэффициент распределения воды , показывающий какое количество воды проходит через осветлитель, какое через осадкоуплотнитель (по нему определяют параметры системы принудительного отсоса) Причём для первого параметра расчётным является переход минимальной мутности (так как хлопья в это время имеют меньшую плотность и поэтому вымываются из взвешенного слоя при одной и той же скорости восходящего потока) А для второго параметра расчётным является период максимальной мутности (так как максимальный прирост взвешенного осадка наблюдается именно в этот период). Исходя из этого расчёт осветлителей производится для двух периодов летнего и зимнего в соответствии с п. 6.63 СНиП. Площадь зоны осветления определяют по формуле: ; Площадь отделителя: ; Общая площадь определяется по формуле: ; Из этих двух значений,расчётным принимается максимальная площадь Далее принимаются геометрические параметры типового осветлителя, находят число осветлителей. Причём общая высота осветлителей складывается из высоты слоя взвешенного осадка, принимаемой в пределах -1,5-2,5 м и высоты от распределительной системы исходной воды до слоя взвешенного осадка-0,5-1м. Расчёт систем по сбору осветлённой воды такой же как в выше рассматриваемых сооружениях. Объём зоны накапливания и уплотнения осадка, то есть объём осадкоуплотнителя ниже осадкоприёмных окон, определяют по формуле: ; Расход воды с осадком, проходящим через осадкоприёмные трубы: ; Низ осадкоприёмных окон должен быть не менее чем на 1м выше пирамидальной или конической части осветлителя. Скорость движения воды по трубам удаляющим осадок≥1 м/с, диаметр отверстия больше 20 мм. Скорость движения воды в отверстиях перфорированных труб более 3 м/с. Время выпуска осадка 4-7 минут. Минимальный диаметр выпускных труб- 150 мм. Угол конусности днища 60◦. 8. Осветление воды фильтрованием. 8.1 Основные понятия. Содержание взвешенных веществ в осветлённой воде после отстойников или осветлителя со слоем взвешенного осадка колеблется от 8-15 мг/л, В соответствии с ГОСТ «Вода питьевая» содержание взвешенных веществ осветлённой воде не должно превышать 1,5 мг/л. Поэтому для достижения необходимой степени очистки воды, её следует направлять для доочистки на фильтры. Где воды проходит через слой фильтрующего материала, представляющего собой пористую среду с весьма малыми порами (слой зернистой загрузки, сетки). Интенсивность фильтрования характеризуется количеством воды, пропускаемой через единицу площади поверхности за единицу времени. Эта величина является скоростью фильтрования. ; Фильтрование жидкости происходит за счёт избыточного напора создаваемого перед фильтром. При фильтровании чистой воды через чистую фильтрующую загрузку имеют место min потери напора при фильтровании, которые называются начальными потерями напора. Фильтрующие слои можно классифицировать: 1. зернистые, состоящие из отдельных не связанных между собой зёрен (песок). 2. Сетчатый, представленный пластиковой сеткой для задержания крупных загрязнений и планктона. 3. Тканевый, состоящий из различных видов тканей 4. Намывные, на каркас намывают тонкий слой взвешенных веществ, содержащихся в воде или специально вводимых в неё. 8.2 Классификация фильтров. Фильтры могут быть напорные и безнапорные. По скорости фильтрования различают: - медленные 0,1-0,2 м/ч -скорые 5-10 м/ч -сверхскоростные более 25 м/ч По количеству фильтрующих слоёв: -с однослойной загрузкой -с двухслойной загрузкой По удельному весу или плотности загрузки: -фильтры с плавающей загрузкой -фильтры с неплавающей загрузкой. По скорости фильтрования: -с постоянной -с переменной По виду промывки фильтров: -с водяной -с водовоздушной 8.3 Фильтрующие материалы для зернистых фильтров. Фильтрующий материал должен обеспечить требуемую пористость, обладать достаточной механической прочностью против истирания в процессе промывки и достаточной химической устойчивостью. Крупность зёрен фильтрующего материала зависят основные расчётные параметры работы фильтра тип фильтра. Поэтому чтобы принять фильтрующий материал нужно воспользоваться рекомендациями СНиП т.21 с учётом примечаний, а также т.14 пособия к СНиП. При фильтровании воды снизу вверх параметры фильтрующей загрузки следует брать по т.25 СНиП и по п.6.142. СНиП (префильтры). Слои фильтрующего материала обычно располагают на поддерживающих слоях гравия или щебня. 8.4 Поддерживающие слои. Служат для предотвращения попадания зёрен фильтрующей загрузки в дренажную систему фильтров, а также для обеспечения равномерного распределения воды по площади фильтра при промывке . Параметры поддерживающих слоёв определяются по СНиП т.22-для скорых фильтров и по СНиП т.25- для контактных префильтров. 8.5 Основы теории фильтрования. Есть два механизма задержания взвешенных частиц фильтрованием. 1. Фильтрование через фильтрующую плёнку, образуемую в процессе фильтрования взвешенными частицами., выпавшими на поверхность загрузки. 2. Фильтрование без образования фильтрующей плёнки, взвесь, содержащаяся в воде остаётся в порах фильтрующей загрузки. Первый процесс наиболее характерен для так называемых «медленных фильтров» (которые в настоящее время мало применяются из за малой скорости фильтрования, больших площадей и большой строительной стоимости.) Второй процесс является рабочим процессом скорых фильтров. 1) Рассмотрим процесс плёночного фильтрования, сделаем основные предположения.: Пусть 1. Задерживаемая взвесь не сжимается. 2. Взвесь состоит из одинаковых частиц с эквивалентным диаметром и коэффициентом формы-Ф, пористость слоя- Р . Потери напора в любой момент времени с начала фильтра цикла могут быть определены: ,м; где µ - динамический коэффициент вязкости воды. ; где Т - продолжительность фильтроцикла, определяемая по формуле ; г ; Предположим, что осадок (плёнка на поверхности фильтра) сжимаем, тогда по мере увеличения разницы 9или потерь напора), пористость Р будет уменьшаться, тогда Для сжимаемых осадков определяется по формуле : ; 2) Рассмотрим процесс фильтрования с обложением загрязнения в порах фильтрующего слоя. В этом случае ход процесса описывается дифференциальным уравнением следующего вида: ; концентрация взвешенных веществ в воде, поступающих в данный слой фильтрующей загрузки. или -толщина слоя фильтрующей загрузки. t или -продолжительность фильтрации; а- параметр, характеризующий прочность взвеси в- параметр, определяющий интенсивность прилипания частиц к поверхности фильтрующей загрузки. Интегрирование данного уравнения приводит к сложным функциям. Практическое применение которых требует экспериментального определения параметров а и в. Гораздо проще воспользоваться результатами технологического моделирования процессов фильтрования. Для получения критериев подобия преобразуем уравнение в виде безразмерных отношений мгновенной концентрации к начальной концентрации взвешенных веществ в воде, поступающей на фильтр. и введём новые безразмерные параметры; , тогда: ; Продолжительность работы фильтра до «проскока» в фильтрат взвеси определяется по формуле: ; где h- толщина фильтрующего слоя; константа, зависящая от отношения ; ; ; к=1,24-1,51; И если в воде содержится достаточно прочная взвесь неразрушающаяся и не выносимая в фильтрат, то фильтр выключается на промывку не по «проскоку» взвеси в фильтрат, а по достижению предельных потерь напора в фильтре, тогда продолжительность фильтроцикла определяется по формуле: ; где: темп прироста потерь напора; гидравлический уклон в чистой фильтрующей загрузке. толщина слоя фильтрующей загрузки. 9. Конструкция и конструктивные особенности фильтра. 9.1 Медленные фильтры. Применяются в схемах очистки воды с содержанием взвешенных веществ до 1500 мг/л и цветность воды до 50 градусов. Производительность любая. На выходе содержания взвешенных веществ до 1,5 мг/л. Достоинства: весьма высокая степень осветления воды и высокий процент задержания бактерий.( но более дешёвый способ обеззараживания воды хлорированием) Недостаток: значительная строительная стоимость, большие размеры, сложный, дорогой и несовершенный, с санитарной точки зрения метод очистки песка. Созревание фильтрующей плёнки в течение 1-2 суток. Период нормальной работы фильтра 1-2 месяца. Для очистки фильтра снимают верхний загрязнённый слой песка толщиной 1-2 см. Представляют собой железобетонный резервуар или кирпичный резервуар. Рисунок 32 1. Канал исходной воды 2. Водоподъёмная переливная плотина 3. Подводящий канал 4. Секции медленного фильтра 5. Шибер на входе 6. Шибер на выходе 7. Колодец или камера чистой воды 8. Трубопровод к РЧВ 9. Сброс воды Ширина микрофильтров до 6 м, длина до 60 м. Высота слоя фильтрационной загрузки-8м при механизированной поверхностной промывке и 1,2м-при ручной очистке фильтра. Диаметр фильтрующей загрузки-0,5-1мм. Высота слоя воды над фильтрующей загрузкой-1,5 м. Высота поддерживающих слоёв-150 мм. Диаметр зёрен от 5 до 50 мм. Скорость фильтрования при форсированном режиме (1 фильтр выключается на ремонт) не должна превышать 0,2-0,3 м/с. Нормальная скорость фильтрования 0,1-0,2 м/ч. СНиП п.6.137-140. 9.2 Скорые фильтры Скорость фильтрования-6-12 м/ч. Применяются для осветления мутных и цветных вод после коагулирования ( и отстаивания). Схема скорых фильтров: Рисунок 33. Принципиальная схема скорого фильтра: а - с боковым каналом; б - с центральным каналом; 1 - подача исходной воды; 2 - отвод фильтрата; 3 - подача промывной воды; 4 - отвод промывной воды Скорость воды в подводящих трубопроводах и каналах должна быть равна 0,8-1,2 м/с. Высота слоя воды над загрузкой фильтра принимают равной не менее 2м. При площади фильтров более 30-40 их устраивают с центральными каналами, разделяющими каждый фильтр на две равные части (ячейки). Верхние отсеки этих каналов используют для подвода осветляемой жидкости, к ним подсоединяют желоба, нижние отсеки служат коллектором дренажной системы. На крупных станциях обработки воды, площадь каждого фильтра может достигать 100-120 . Содержание взвешенных веществ в воде, поступающей на фильтр должно быть 12-25 мг/л. Количество фильтров на станциях обработки воды рекомендуется принимать не менее 4.(можно уменьшить число до 2,но обосновать). Суммарную площадь скорых фильтров рассчитывают по формуле: ; где: полезная производительность, ; расчётная скорость фильтрования при нормальном режиме работы, м/ч; n- число промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации.(не более2-3) интенсивность промывок, ; t- продолжительность промывки., ч время простоя фильтра в связи с промывкой. Сверхскоростные скорые фильтры (25-100 м/ч) ; где и - начальная и конечная скорость фильтрации м/ч. Полная производительность фильтра: ; где фильтровальная поверхность; t- продолжительность полезной работы фильтров в минуту. Расход промывной воды, : ; где продолжительность промывки; интенсивность. - полезная производительность установки., , t- длительность фильтроцикла в минуту. 9.4 Напорные фильтры. Изготовляются серийно, изготовляются в основном для нужд производственного водоснабжения. Высота слоя фильтрующей загрузки 1200 мм, диаметр фильтра 1000-3400мм (для удобства транспортировки фильтра). Применение таких фильтров позволяет исключить из системы водоснабжения насосную станцию 2–ого подъёма. Распределительная система фильтра может быть колпачковой как в крупнозернистых фильтрах, так и с поддерживающими слоями. Расчётные потери напора в этих фильтрах обычно принимают 6м. В качестве загрузки применяют песок, керамзит с крупностью 0,5-1,8 мм. Скорость фильтрования =10м/ч. Производительность 50-90 Рисунок 34. Схема напорного фильтра: 1.корпус напорного фильтра 2. труб-од подачи исходной воды 3. распределительная система 4. слой фильтрующей загрузки 5. труб-од отвода фильтровальной воды 6.труб-од подвода промывной воды 7. распределительная система фильтра 8. колпачки 9. поддерживающий гравийный слой 10. распределительная система воздуха 11. воздухопровод 12. труб-од отвода промывной воды 13. приёмная воронка промывной воды. 14 патрубок для сброса воздуха при фильтровании и для выпуска воздуха при промывке. 9.5 Намывные фильтры. Применяют для очистки воды с мутностью до 40 мг/л и цветностью до 30 градусов. В качестве фильтрующего материала, предварительно нанесённого на фильтрующую основу, применяют диатомит, целлюлозу, асбест, древесную муку и опилки. Таким фильтром удаляют до 50% органических веществ, хорошо удаляют железо, масло и бактерии. Работают в напорном режиме.. Скорость фильтрования 1-50 м/ч. Продолжительность фильтроцикла 36-60ч. Продолжительность промывки 15 минут. Рисунок 35. Схема намывного фильтра: 1. Распределительный объём фильтра 2. Труб-од подачи исходной воды 3. Фильтрующие керамические патроны 4. Опора для крепления патронов 5. Отвод отфильтрованной воды 6. Камера обработанной воды 7. Намывной слой фильтрующего порошка. 8. Сброс осадка. 9.6 Сетчатые фильтры (барабанные сетки, микрофильтры) Применяют в качестве эффективного средства задержания крупных взвешенных веществ, содержащихся в исходной воде (планктон). Устанавливаются перед смесителями. Вода на эти сооружения подаётся из приёмной камеры. Микрофильтр представляет собой барабан, выполненный из металлического каркаса и обтянутый сеткой (латунной или из нержавеющей стали) Барабан покрыт фильтрующей тканной сеткой из никеля с ячейками 40*40 мм. Рисунок 36. Схема микрофильтра: 1. Барабан 2. Открытая камера микрофильтра 3. Полая ось вращения микрофильтра 4. Система промывки микрофильтра 5. Жёлоб ,в который смываются загрязнения в сетки 6. Отвод процеженной воды 7. Труб-од отвода промывной воды. Принцип работы: барабан 1 располагается в открытой камере 2, так что1/3 его диаметра находится над поверхностью воды. Вода подаётся по полой оси 3, и процеживается через сетку барабана 1. Для смыва загрязнений производится непрерывная промывка сетки 4. Осевшие на внутренней поверхности сетки загрязнения смываются в жёлоб 5 и отводятся по трубопроводу 7. Процеженная воды отводится из камеры микрофильтра по трубопроводу 6. 10. Распределительные системы, системы промывки фильтров. 10.1 Распределительные системы скорых фильтров. В настоящее время применяются следующие типы распределительных систем: 1. Из щелевых труб или щелевого ложного дна большого сопротивления без гравийных поддерживающих слоёв 2. Трубчатый дренаж большого сопротивления, расположенный в поддерживающих слоях или в слое фильтрующей загрузки. 3. Колпачковая распределительная система 4. Дренаж скорых фильтров из пористого полимербетона 10.1.1 Трубчатый дренаж большого сопротивления. Проектируют в соответствии с п.6.105, 6.106, 6.109 СНиП. Эта система дренажа получила наибольшее распространение в современных фильтрационных установках.. Представляют собой системы труб (чугунных или стальных), укладываемых на дно фильтра в нижних слоях гравия. Обычно по дну каждого фильтра укладывается одна магистральная труба с присоединением к ней с обеих сторон ответвлений из труб меньшего диаметра. Эти ответвления имеют отверстия. Рисунок 37. Схема дренажа: 10.1.2. Щелевые распределительные устройства. Конструкция похожа на трубчатый дренаж только вместо отверстий - щели. Размер которых на 0,1 мм меньше минимального размера зёрен фильтрующей загрузки, расстояние между щелями не более 20 мм. Щели размещаются равномерно поперёк оси и по периметру трубопровода не более чем в 2 ряда п.6.105 СНиП. Такое распределительное устройство применяется в фильтрах. Где нет поддерживающих слоёв. Общая площадь щелей 1.5-2 % от площади одного фильтра. 10.1.3 Ложное щелевое дно большого сопротивления ( система с горизонтальной компенсацией) Рисунок 38. Схема: 1. фильтрующий слой 2. поддерживающий слой 3. щелевое дно 4. ответвления дренажа большого сопротивления с отверстиями 10.1.4 Система с щелевым днищем малого сопротивления. Рисунок 39. Схема: 1.слой фильтрующей загрузки 2. поддерживающий гравийный слой 3. ложное щелевое дно. 4. распределительные трубы о отверстиями большого диаметра. 10.1.5. Колпачковая распределительная система. Представляют собой систему колпачков монтируемых либо на сплошном днище в специальных отверстиях, либо на распределительной системе фильтра. Количество колпачков 35-50 штук на 1площади фильтра (п.6.108 СНиП). Колпачки могут быть щелевые пластмассовые ВТИ-К или ферфоровые ВТИ. Предназначены для осуществления водовоздушной промывки. Скорость движения воды или водовоздушной смеси в щелях колпачков не более 1,5 м/с. Общая площадь щели всех колпачков 0,8-1 % от площади фильтра. Устраиваются в фильтрующей загрузке где нет поддерживающих слоёв. Рисунок 40. Схема: 1. Слой фильтрующей загрузки 2. Ложное днище 3. Днище фильтра 4. Щелевой колпачок 5. Крепёжная муфта 6. Хвостовик 7. Щель 8. Уровень воды в междонном пространстве при нормальном режиме. 9. Уровень воды при водовоздушной промывке Такие устройства дают возможность равномерно распределять одновременно воду и воздух при промывке фильтра. узкая щель имеет ширину 1-1,5 мм и высоту 50-80 мм. Принцип действия: Так как сопротивление при проходе через отверстия воды и воздуха различны, поэтому те отверстия которые равномерно распределяют по площади фильтра воду не обеспечивают равномерное распределение воздуха. А тонкая щель 7 на истущере даёт такую возможность . При промывке сжатый воздух по специальным трубопроводам подаётся в междонном пространство и скапливается в верхней части , постепенно вытесняя воду и образуя в ней воздушную подушку. Как только уровень воды опускается, воздух через щель проникает в ствол и далее равномерно распределяется по площади фильтра. 10.1.6 Дренаж скорых фильтров из пористого полимербетона Рассматриваются в разделе 8 пособия к СНиП 2.04.02-84. 10.2 Промывка фильтров В процессе фильтрования воды межпоровое пространство и объём фильтрующей загрузки заполняется загрязнениями. Это приводит к выносу загрязнений в фильтрат, повышению потерь напора в слое фильтрующей загрузки. Во всех случаях нарушения работы фильтра его необходимо останавливать на промывку. Различают промывки: - обратным током воды - верхнюю промывку фильтра. 10.2.1 Промывка фильтра обратным током воды. Вода подаётся от насоса, установленного в нс-2 или непосредственно в здании фильтров, а также из водонапорной башни, ёмкость бака которой рассчитывается исходя из объёма воды необходимой для одновременной промывки нескольких или одного фильтра объём промывки дополнительно п.6.117 СНиП. Вода в бак водонапорной башни может подаваться либо из РЧВ либо из трубопровода фильтровальной воды, если расход воды забираемый насосами в бак не превышает 50% от расхода воды поступаемой в РЧВ. Фильтры должны промываться фильтровальной водой в зависимости от материала загрузки фильтра. Промывка может быть как? - водяная (для всех видов загрузки) - водовоздушной (для кварцевого песка) или материалов с такими же прочностными характеристиками как кварцевый песок) п.6.114 СНиП. В процессе промывки, восходящие токи промывной воды взмучивают песок и объём, занимаемый им увеличивается, это называется –расширением песка. При этом загрязнения из фильтрующего слоя вымываются. А фильтрующий материал должен быть тщательно отмыт и занимать после промывки тоже положение, что он занимал при нормальной работе фильтра. 10.2.2. Верхняя промывка Её применяют как дополнение к основному способу промывки фильтра (обратным током воды). Производится в сочетании с последней. Вода подаётся на фильтр ещё и сверху тем самым взмучиваются загрязнения верхнего слоя фильтрующего материала. Промывка бывает: - с помощью неподвижных промывных труб, расположенным параллельно желобам для отвода промывной воды. - с вращающимися промывными трубопроводами. Водяная промывка. Осуществляется через все виды дренажей. Интенсивность промывки зависит от вида фильтрующей загрузки(крупность зёрен принимается по т. 23 СНиП). В случае осветления высокомутных вод, обезжелезивания воды, реагентного умягчения а также возможности зарастания поверхностного слоя загрузки и сцепления между собой её отдельных частей в комки или пластины, рекомендуют дополнительно к нижней системе промывки подключать верхнюю промывку, предназначенную для взламывания поверхностной корки и разбивания комьев фильтрующей загрузки. Вращающиеся системы верхней промывки фильтра могут обслуживать фильтры прямоугольного или круглого в плане формы площадью до 25 м, Рисунок 41. Схема верхней вращающей системы: 1. Корпус фильтра 2. Желоба 3. Вращающийся водораспределитель 4. Водораспределительные трубы 5. Насадки 6. Трубы промывной воды для верхней промывки 7. Поддерживающий слой 8. Фильтрующий слой 9. Боковой карман 10. Дренаж большого сопротивления Для вращающегося устройства интенсивность промывки 0,5-0,75 л/, напор 40-45 м.вод.ст. Скорость движения воды в подводящих трубопроводах 2,5-3м/с из насадки выход воды со скоростью не более 10 м/с. Если площадь фильтра более 25 м, то применяют системы стационарной верхней промывки, состоящей из ряда дырчатых труб, располагаемых на высоте 6-8 см. от поверхности фильтрующей загрузки. Расстояние между распределительными трубами 700-1000мм., между отверстиями 8-10 см., Скорость вывода воды из отверстия 8-10 м/с. Интенсивность промывки 3-4 л/, напор 30-40 м.вод.ст. Продолжительность промывки 5-8 мин, из них 2-3 мин, до проведения нижней промывки. Комбинирования верхней и нижней промывки проводят в следующем порядке: 1. Закрывают задвижки на трубопроводах исходной воды и сбрасывают фильтрат, пока уровень воды в фильтре не опустится до верхней кромки желобов. 2. Закрывают задвижки на линии фильтрата и включают систему верхней промывки, которая работает в течение 2-3 минут. 3. Включают систему нижней промывки с интенсивностью 10-15% расширения фильтрующего слоя, продолжительность этапа 2-3 мин. 4. Включают на полную мощность систему нижней промывки, обеспечивающей 25-50%-ое расширение фильтрующей загрузки СНиП т.25, продолжительность 1-2 мин. 5. Закрывают воду в верхнюю систему промывки и через 20-30 сек. Прекращают нижнюю промывку. Такая система промывки позволяет полностью избавится от межпоровых загрязнений, но не полностью от плёночных. От них только при помощи гидроэлеватора или ультразвуком. Сбор загрязнённой воды осуществляется желобами и сборным боковым каналом. Расчёт их следует производить в соответствии с п. 6.111-6.113. Рисунок 42 9- трубопровод подачи исходной воды 10- трубопровод отвода промывной воды 11-коллектор системы дренажа большого сопротивления 12-дырчатые трубы Водовоздушная промывка. Расчёт, конструктивные особенности в разделе 7 пособия СНиП п.7.12-7.20. Этапы водовоздушной промывки: 1. Взрыхление песка водой-1мин., интенсивность-6-8 л/ 2. Водовоздушная промывка- 5 минут, интенсивность подачи воды 3-4 л/, а воздуха 20-25 л/; 3. Отмывка фильтровальной водой- 2 минуты. Интенсивность 6-8 л/; 11. Контактные осветлители. 11.1 Принцип работы. Контактные осветлители способны осветлить воду с содержанием взвешенных веществ до 150 мг/л. Основным недостатком скорых фильтров является то, что при промывке слой фильтрующей загрузки укладывается таким образом, что наиболее мелкие фракции песка оказываются сверху и когда происходит фильтрация воды сверху вниз, основная масса загрязнений задерживается в этих мелких слоях(верхних) и остальной объём загрузки практически не используется. При осветлении воды с помощью контактных осветлителей этот недостаток устраняется, т.к. фильтрация воды происходит в направлении убывающей крупности снизу-вверх. Основная масса загрязнений задерживается в нижних наиболее крупных слоях загрузки и тем самым уменьшается скорость прироста потерь напора. Ещё одно преимущество контактных осветлителей, в том что, так как коагулянт вводят в воду перед фильтрованием. Процесс интенсивного хлопьеобразования происходит непосредственно в толще загрузки контактного осветлителя, при этом частицы прилипают к поверхности загрузки, образуя сетчатые структуры, улучшая процессы осветления воды- этот процесс называется контактной коагуляцией. Этот процесс уменьшает требуемую дозу коагулянтов. А также на этот процесс почти не влияет температура воды и её щёлочность. Поэтому контактные осветлители удачно заменяют двухступенчатую очистку в условиях маломутных вод. Сочетая в себе и высокий эффект очистки и малую себестоимость. 11.2 Конструкция контактного осветлителя. Железобетонный резервуар, загрузка из песка диаметром 0,5-2 мм, толщина слоя 2м, поддерживающий слой гравия толщиной 70-80 см, диаметр от 2 до 40 мм. Скорость фильтрования 4-6 м/ч. Распределительная система исходной воды и распределительной системой промывной воды, укладывается на дне в слое гравия . Промывка осуществляется также как в скором фильтре, продолжительность 7-8 мин. Отвод осветлённой воды и воды промывной осуществляется с помощью системы желобов. Для исключения попадания в распределительную систему крупных плавающих веществ перед контактными осветлителями обязательно устанавливают микрофильтр или барабанные сетки(не менее 2) . Если предусматривается водовоздушная промывка. То устраивают две распределительные системы для воздуха и воды. Рисунок 43. Конструкция: 1. Верхняя часть бокового кармана 2. Отвод осветлённой воды 3. Подача исходной воды и промывной воды 4. Нижняя часть бокового кармана 5. Ложн. дно с колпачками 6. Воздухопровод 7. Фильтрующий слой 8. Водослив с ос. Кромкой 9. Пескоулавливающее устройство 10. Отвод промывной воды Принцип действия: вода по трубопроводу 3, подаётся в нижнюю часть бокового кармана 4, и далее по распределительной системе поступает в загрузку., очищенная вода поступает в подзагрузочный объём и через водослив 8 в пескоулов. желоба 9 поступает в верхнюю часть бокового кармана1, откуда по трубе 2отводится от контактного осветлителя. Промывка контактного осветлителя ведётся в 3 этапа 1. Взрыхление загрузки (воздухопровод) 2. Разрушение загрязнений (вода+воздух) 3. Выделение из загрузки оставшихся выделений и воздуха. По окончании приводят сброс первого фильтрата.(5-15 минут). 12. Обеззараживание 12.1 Повторное использование промышленной воды и обработанных осадков. Чтобы уменьшить потребление воды на собственные нужды применяют повторное (оборотное) использование воды после промывки фильтров. Применяют две схемы: Рисунок 44 -двухступенчатая очистка 1.песколовка 2.усреднитель Рисунок 45 -очистка воды только фильтрованием 1. песколовка 2. отстойник периодического действия (отстаивание-1 час, доза ПАА 0,08-0,16 мг/л) При отсутствии предварительного хлорирования, оборотную воду хлорируют Обрабатывают осадок в естественных или искусственных условиях. Естественное обезвоживание: -иловые карты, земляные углубления на естественном основании с системой водосливов и дренажами из труб Искусственное обезвоживание(механическое обезвоживание) - фильтр- прессы - вакуум-фильтры Для такого обезвоживания осадок предварительно обрабатывают известью или кислотами. 12.2 Обеззараживание воды. Во время основных ступеней очистки природных вод (отстаивание-фильтрация) из воды удаляется до 95% бактерий. Однако оставшаяся часть может быть опасна для человека., поэтому воды для хозяйственно-питьевых целей обязательно обеззараживают. Методы обеззараживания делятся на основные группы: - термический - при помощи сильных окислителей -физический -олигодинания Наиболее часто используемый- второй Как окислителя используются: -хлор - озон - йод - перекись водорода На практике (с экономической точки зрения) наиболее часто используют хлор, гипохлорид натрия и озон. Хлорирование: под действием хлора бактерии находящиеся в воде погибают, а также хлор окисляет органические вещества, что предотвращает размножение микроорганизмов. Но спорообразующих бактерий хлор не уничтожает(это один из недостатков хлора). Эффект хлорирования зависит от дозы хлора и продолжительности контакта с водой 30-60 минут, а также РН и температуры воды. Дозу хлора выбирают таким образом чтобы в 1 литр поступающим к потребителю воды оставалось 0,3-0,5 мг хлора не вступившего в реакцию. Так фильтр. Воды хлорируют дозой 0,5-2 мг/л, а не фильтрованную 5-8 мг/л и более. Хлорирование осуществляют чаще всего жидким хлором (газообразным) хранят в баллонах при давлении 0,6-1МПа, ёмкость 30 кг до 100 кг. А на больших станциях (более 100 тыс. ) в железно дорожных цистернах ёмкость 48 т.перевозят, а хранят в ёмкостях 700-3000 кг. Получены специальные зависимости хлоропоглощения от времени контакта и величины остаточного хлора от взвешенного хлора. (Николадзе, рис. 15.2,15.3). При осветлении сильно цветных вод, а также богатых органикой часто применяют двукратное хлорирование (хлор добавляют перед КХО, а затем пред РЧВ). Прехлорирование (до 10 мг/л). Также применяют прехлорирование для удаления запахов и гарантии высокого эффекта обеззараживания. Но тогда перед употреблением воду надо дехлорировать (фильтрование через активированный уголь). Вода пред поступлением к потребителю может сравнительно долго пребывать в различных резервуарах и трубах(более 1,5 часов),тогда для обеспечения более длительного действия хлора в воду добавляют аммиак. Это позволяет сократить дозы хлора и в некоторых случаях улучшить вкус воды.(доза аммиака в 5-6 раз меньше дозы хлора). Для дозирования хлора применяют - газодозаторы. Хлор является отравляющим газом при проектировании это учитывается (СНиП п.14.3) приточно-вытяжная вентиляция с устройством вытяжки в наиболее низкой части хлораторной, наличие тамбура для специальной одежды и противогазов и т.д. Основной недостаток-токсичность хлора. Гипохлорирование: получают путём электролиза растворов поваренной соли со щёлочью в электролизёре. Озонирование: Озон -один из наиболее сильных окислителей. Уничтожает бактерии, споры и вирусы, а также обесцвечивает воду, устраняет запахи и привкусы. Озон не ухудшает качеств воды, так как через несколько минут превращается в кислород. Озон получают из обычного очищенного и осушенного воздуха в озонаторах, путём воздействия на него рассеянного электрического заряда. Дозы озона в фильтровальной воды-1 мг/л, в неочищенную воду до 4 мг/л. Продолжительность контакта 5-10 минут. Недостаток -дорогостоящее оборудование. Бактерицидные лучи: природно-вкусовые качества воды не изменяются, воду можно сразу подавать потребителям. Действия лучей во много раз быстрее, чем хлор. Лучи уничтожают не только бактерии, но и спорообразующие, эксплуатация проще, чем хлорное хозяйство. Длина волны лучей 295-200 мкм. Наиболее распространённый источник ьактерицидного излучения ртутно-кварцевые лампы высокого давления РКС-2,5. Опыт показывает, что этот метод порой оказывается дешевле хлорирования, расход электроэнергии 10-15 ВТ в час. На 1 воды (для подземной воды), для речной очищенной 30 Вт в час. на 1 . Недостаток-отсутствие оперативного контроля обеззараживания (при хлорировании по остаточному хлору) только лабораторным способом. Не возможность применить этот метод для предварительной обработки высокомутных вод. Библиографический список рекомендуемой литературы. 1. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. Стройиздат, 1974. 2. Горбачев Е.А. «Проектирование ОС водопровода из поверхностных источников» 3. Клечко В.А. , Апельцин И.Э. Очистка природных вод. Стройиздат, 1971. 4. Копелонов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. Стройиздат, 1971. 5. Шевелев Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных и асбестоцементных труб. Госстройиздат, 1970. 6. СНиП 2.04.01.-85* Внутренний водопровод и канализация зданий. Москва. 1989. 7. СНиП 2.04.02-84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Москва, 1985. 8. Кульский «Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов» 9. Пособие к СНиП 2.04.02-84 По проектированию сооружений для очистки и подготовки воды. 10. Николадзе «Технология очистки природных вод» 11. Журба М.Г. «Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: Изд. 2-ое М: АСВ, 2004 Примечание: все перечисленные материалы имеются в электронном виде на кафедре.