Очистка природных вод

Министерство транспорта российской федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Кафедра «Гидравлика и водоснабжение» Е.В. Сошников ОЧИСТКА ПРИРОДНЫХ ВОД Конспект лекций Хабаровск Издательство ДВГУПС 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПРИРОДНЫХ ВОД И МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ВОДЫ 1.1. Воды поверхностных источников Воды поверхностных источников представляют собой многокомпонентные гетерогенные системы, в состав которых входят грубодисперсные и коллоидальные примеси неорганического и органического происхождения, молекулярно растворенная органика, диссоциированные соли, кислоты, щелочи. Взвешенные вещества в основном представлены мелким песком, илом, глиной и имеют дисперсность (в среднем) 102-104. Вместе с тем, часть примесей имеет более высокую дисперсность и гидравлическую крупность частиц до 0,01 мм/с и менее. Концентрация взвешенных веществ в источниках второго класса может достигать несколько сот мг/л в период паводков. В ряде крупных рек России она не превышает 100-200 мг/л. В р. Амур (створ Хабаровска) среднее содержание взвесей в теплый период года равно 30-40 мг/л, а зимой уменьшается до 5-15 мг/л. Цветность воды обусловлена присутствием гуминовых веществ, вымываемых из почв или образующихся в результате жизнедеятельности водной растительности. Основным компонентом гуминовых веществ являются фульвокислоты, находящиеся в молекулярном состоянии, а также коллоиды гуминовых кислот. Фульвокислоты образуют в результате реакции с катионами кальция или магния трудно растворимые соединения. Поэтому высокую цветность имеют преимущественно мягкие воды [13]. Помимо гуминовых веществ в природных водах содержатся неокрашенные органические молекулярные вещества, нередко придающие воде привкусы и запахи. К ним относятся такие продукты внутриводных биологических процессов, как низкомолекулярные спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, фенолы и др. Некоторые одорирующие или придающие привкусы примеси находятся в коллоидальном и грубодисперсном состоянии. Общее содержание молекулярно растворенной органики оценивается показателем окисляемости, ПДК которого нормируется СанПиН’ом (5 мг/л). Железо в воде поверхностных источников преимущественно находится в форме органических комплексов и диспергированного гидроксида Fe(OH)3. Минерализация воды колеблется в широких пределах: от нескольких десятков до 1000 и более мг/л. Ионный состав представлен, в основном, ионами: . Соли кальция и магния обуславливают жесткость воды и делятся на карбонатные (временной или карбонатной) и образованные сильными кислотами (постоянной или некарбонатной) жесткости. Суммарная жесткость (общая) не должна превышать 7 мг-экв/л по условиям удобства пользования водой. Микробиальное и паразитологическое загрязнение воды связано с антропогенными причинами. В воде могут быть обнаружены болезнетворные микроорганизмы и вирусы, вызывающие такие заболевания как дизентерия, холера, брюшной тиф, сибирская язва, полимиелит, инфекционный гепатит и т. д. Техногенное загрязнение поверхностных источников приводит к появлению токсичных примесей: различных тяжелых металлов, нефтепродуктов, ядохимикатов, соединений фенольной группы и других, а поступление в источники водоснабжения биогенных веществ (азот, фосфор) стимулирует ненормальное развитие водной растительности и кардинально меняет природные условия со всеми далеко идущими негативными последствиями. 1.2 Воды подземных источников Примеси, содержащиеся в подземных водах, находятся в виде ионов и частично в форме молекул. Наиболее часто содержатся катионы кальция, магния, натрия, анионы . В отдельных районах регистрируется высокое содержание железа, преимущественно в форме бикарбоната закиси , марганца, нитритов, аммонийного азота, фтора, серы, меди, цинка, свинца и других. Соединения кремния обычно представлены кремниевой кислотой в молекулярной форме. Органика в подземных водах присутствует в виде гуминовых веществ, жирных кислот, углеводородов. Фильтруясь через зернистые породы, подземные воды практически не содержат грубодисперсных примесей, микроорганизмов и простейших. Среди газов, молекулярно растворенных в подземных водах, следует назвать двуокись углерода и сероводород. Содержание углекислоты в виде СО2 зависит от рН воды, достигает максимума при значении водородного показателя менее 4 и исчезает при рН > 8,3. Аналогично меняется и форма содержания в воде серы: сероводород отсутствует при значения рН более 8,5 и его содержание максимально при рН менее 4. 1.3. Классификация загрязнений природных вод Основная цель очистки воды – удалить до установленных нормативов: 1) находящиеся в ней загрязнения; 2) содержание вредных химических веществ, поступающих и образующихся в воде в процессе ее обработки. В практике водоочистки используются различные технологические приемы и методы улучшения качества воды. Выбор рациональной схемы очистки воды представляет значительные трудности. Это объясняется сложностью состава природных вод, большим разнообразием загрязнений, их качественными особенностями и достаточно высокими требованиями к степени очистки воды. Для облегчения задачи выбора рациональной схемы водоочистки Л.А. Кульским предложено укрупненно разделить все загрязнения природных вод на 4 группы. I группа загрязнений включает: взвешенные вещества, придающие воде мутность, сюда же следует отнести эмульгированные вещества, нефтепродукты (их хотя и немного, но они часто превышают норму), а также бактериальные взвеси и биологические взвешенные в воде загрязнения – мельчайшие водоросли, планктон и микроорганизмы. Природные вещества, в которых преобладают загрязнения I группы называют суспензиями или эмульсиями. II группа загрязнений включает в себя: коллоидно-растворенные, в т.ч. гумусовые, высокомолекулярные вещества и вирусы. К III группе загрязнений относятся молекулярно растворенные вещества и газы. Если для поверхностных вод – газы, что-то второстепенное, то для артезианских вод – газы могут быть проблемой (например, метан). К IV группе относятся ионорастворенные электролиты, присутствующие в природных водах, особенно в подземных. Таблица Качество воды р. Амур до и после ее очистки на водопроводных сооружениях г. Хабаровска Показатель качества Ед. изм. Концентрации Предельно-допустимые концентрации (ПДК ) В Амуре (водо­забор ГОСВ) В очищенной питьевой воде ГОСВ В питьевой воде [10] В воде Амура [11,12] Запах балл 1 2 2 2 Привкус балл - 2 2 - Цветность градус 30 – 90 10 20 Недопустима посторонняя окраска Мутность мг/дм3 3,6-89 0,58-0,77 1,5 Прирост взвешенных веществ менее 0,25 мг/дм3 Водородный показатель рН единиц 6,95-7,7 6,2-6,5 6-9 6,5 - 8,5 Сухой остаток мг/ дм3 106-118 72-88 1 000 1 000 Жесткость общая ммоль/ дм3 0,45-1,6 0,45-1,5 7,0 Ca2+=180; Мg2+=40 мг/дм3 Окисляемость перманганатная мгО2/ дм3 6,31-17,5 2,84-5,44 5 - Нефтепродукты мг/дм3 0-0,18 отс – 0,06 0,1 0,05 ПАВ анионо­активные мг/дм3 отс 0,5 0,5 Фенольный индекс мг/дм3 0-0,003 отс 0,25 0,001 Алюминий мг/дм3 0-0,41 0,06-0,26 0,5 0,04 Бериллий мг/дм3 0-0,0001 отс. 0,0002 0,0003 Бор мг/дм3 0-1,06 отс-0,15 0,5 0,1 Железо общее мг/дм3 0,62-3,1 0,067-0,23 0,3 0,1 Кадмий мг/дм3 отс 0,001 0,005 Марганец мг/дм3 0-0,21 отс – 0,15 0,1 0,01 Медь мг/дм3 0-0,014 отс-0,035 1,0 0,001 Молибден мг/дм3 0-0,027 отс-0,008 0,25 0,0012 Мышьяк мг/дм3 отс 0,05 0,05 Никель мг/дм3 0-0,01 отс-0,008 0,1 0,01 Нитраты мг/дм3 0,57-3,65 0,46-2,96 45 40 Ртуть мг/дм3 отс 0,0005 0,00001 Свинец мг/дм3 0-0,02 отс - 0,01 0,03 0,1 Селен мг/дм3 отс. 0,01 0,0016 Стронций мг/дм3 отс. 7,0 Сульфаты мг/дм3 5,0-12,8 14,4-33,5 500 100 Фтор мг/дм3 0,12-0,29 0,11-0,24 1,2 0,75 Хлориды мг/дм3 1,35-6,9 4,15-8,5 350 300 Xpом (Cr6+) мг/дм3 0-0,009 0,0016 -0,06 0,05 0,02 Цинк (Zn2+) мг/дм3 0-0,01 отс-0,0082 5,0 0,01 Аммоний (NH4+) мг/дм3 0,12-0,91 0,05-0,74 2,56 0,5 Нитриты (N02-) мг/дм3 0,021 отс-0,007 3,3 0,08 γ-ГХЦГ (линдан) мкг/дм3 отс отс 2 отс ДДТ (сумма изомеров) мкг/дм3 отс отс 2 отс 2,4-Д мг/дм3 отс отс 0,03 отс Хлороформ мкг/дм3 отс отс - 34,8 200 Полиакриламид мг/дм3 - отс-0,01 2 0,04 Хлор остаточный свободный мг/дм3 - 0,013-0,65 0,3-0,5 Отсутствие Хлор остаточный связанный мг/дм3 - 0,85-1,11 0,8-1,2 Колифаги (пробы воды: 1 л - река , 100 мл - питьевая) БОЕ отс - 4666 отс отс 100 Общие колиформные бактерии КОЕ в 100 мл - отс отс 500 Термотолерантные колиформные бактерии КОЕ в 100 мл - отс отс 100 Споры сульфитредуцирующих клостридий Спор в 20 мл 3-45 отс отс - Общее микробное число КОЕ в 1 мл 11-700 отс - 10 Не более 50 - Цисты лямблий (пробы воды: 25 мг/дм3 для реки, 50 мг/дм3 для питьевой воды) Кол-во в объеме пробы отс отс отс отс Лактозоположительные ки­шечные палочки Един./ дм3 180-10 000 - 10 000 Общая β - ра­диоактивность Бк/дм3 0-0,2 0-0,3108 1 Контроль по НРБ-99 [14] Общая α - ра­диоактивность Бк/дм3 0-0,008 0-0,007 0,1 Растворенный кислород мг/дм3 4,8-13,3 - ³ 6 БПК5 мг О2/ дм3 0,56-1,8 - 2,0 мг/дм3 БПКполн ХПК мг О2/ дм3 15,5-29,5 - 15 Сокращения в таблице: ГОСВ – головные очистные сооружения водопровода Хабаровска; КОЕ – колонии образующие единицы; БОЕ – бляшкообразующие единицы; БПК5, БПКполн– биохимическое потребление кислорода в течение 5 и 20 суток; ХПК – химическое потребление кислорода 2. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОДЫ В ИСТОЧНИКЕ ВОДОСНАБЖЕНИЯ Источник водоснабжения по качеству воды должен отвечать требованиям потребителей – населения, промышленных предприятий. Предельно допустимые концентрации веществ в воде, подаваемой на хозяйственно-питьевые нужды населения, определены Санитарно-эпидемиологическими правилами и нормативами СанПиН 2.1.4.1074-01 10. Часть этих требований приведена в таблицах 1.1. и 1.2. Таблица 1.1 Требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения по микробиологическим и паразитологическим показателям Показатели Единицы измерения Нормативы Термотолерантные колиформные бактерии Число бактерий в 100 мл Отсутствие Общие колиформные бактерии Число бактерий в 100 мл Отсутствие Общее микробное число Число образующих колонии бактерий в 1 мл Не более 50 Колифаги Число бляшкообразующих единиц (БОЕ) в 100 мл Отсутствие Споры сульфитредуцирующих клостридий Число спор в 20 мл Отсутствие Цисты лямблий Число цист в 50 л Отсутствие Таблица 1.2 Обобщенные показатели и содержание вредных химических веществ, наиболее часто встречающихся в природных водах на территории Российской Федерации, а также веществ антропогенного происхождения, получивших глобальное распространение Показатели Единицы измерения Нормативы (предельно допустимые концентрации (ПДК), не более Обобщенные показатели Водородный показатель единицы рН в пределах 6-9 Общая минерализация (сухой остаток) мг/л 1000(1500)** Жесткость общая мг-экв/л 7,0 (10) ** Окисляемость перманганатная мг/л 5,0 Нефтепродукты, суммарно мг/л 0,1 (ПАВ) анионоактивные мг/л 0,5 Неорганические вещества Алюминий (Al(3+) мг/л 0,5 Железо Fe (суммарно) мг/л 0,3(1,0)** Марганец (Mn суммарно) мг/л 0,1(0,5)** Мышьяк As мг/л 0,05 Нитраты (по NO3-) мг/л 45 Ртуть Hg, мг/л 0,0005 Фториды (F(-) для III климатического района мг/л 1,2 Таблица 1.3 Благоприятные органолептические свойства воды Показатели Единицы измерения Нормативы, не более Запах баллы 2 Привкус баллы 2 Цветность градусы 20(35)* Мутность ЕМФ (единицы мутности по формазину) 2,6(3,5)* или мг/л (по каолину) 1,5(2)* Примечание: * Величина, указанная в скобках, может быть установлена по постановлению главного государственного санитарного врача по соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения на основании оценки санитарно-эпидемиологической обстановки в населенном пункте и применяемой технологии водоподготовки 3. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И СОСТАВА СООРУЖЕНИЙ ОСВЕТЛЕНИЯ И ОБЕСЦВЕЧИВАНИЯ ВОДЫ Необходимость очистки воды определяется при сравнении показателей качества воды в источнике водоснабжения с требованиями к качеству воды по СанПиН 2.1.4.1074-01 10. В результате сравнения делается вывод о необходимости применения тех или иных технологических процессов. Каждому виду загрязнения природной воды соответствуют вполне определенные технологические процессы извлечения его из воды. Природные воды отличаются большим разнообразием загрязнений и их сочетанием. Поэтому для решения проблемы эффективной очистки воды требуются различные технологические схемы и процессы, различные наборы сооружений для реализации этих процессов. Используемые в практике водоочистки технологические схемы обычно классифицируются на реагентные и безреагентные; предочистки и глубокой очистки, одноступенные и многоступенные, напорные и безнапорные. Реагентная схема очистки природных вод более сложная, нежели безреагентная, зато она обеспечивает наиболее глубокую очистку. Безреагентная схема, как правило, применяется для предочистки природных вод. Чаще всего ее используют при очистке воды для технических целей. Как реагентная, так и безреагентная технологические схемы очистки могут быть одноступенными и многоступенными, с сооружениями безнапорного и напорного типа. Метод обработки воды, состав и расчетные параметры сооружений водоподготовки и расчетные дозы реагентов надлежит устанавливать в зависимости от качества воды в источнике водоснабжения, назначения водопровода, производительности станции и местных условий на основании данных технологических изысканий и опыта эксплуатации сооружений, работающих в аналогичных условиях. В таблице 3.1 приведены некоторые способы обработки для улучшения качества воды. Таблица 3.1 Технологии обработки воды Показатели, ухудшающие качество воды Технологический процесс Способ обработки Мутность Осветление Коагуляция, отстаивание, фильтрование и др. Цветность Обесцвечивание Коагуляция, отстаивание, фильтрование Микробиологические загрязнения Обеззараживание Хлорирование, бактерицидное излучение, озонирование и др. Повышенная минерализация Обессоливание Дистилляция, обратный осмос, электродиализ Высокая жесткость Умягчение Реагентная обработка, ионный обмен Привкусы и запахи Дезодорация Углевание, озонирование Избыток железа Обезжелезивание Аэрация, фильтрование и др. Избыток марганца Деманганация Озонирование, фильтрование Удаление из воды избыточной мутности и цветности называется осветлением. При предварительном выборе технологической схемы для осветления и обесцвечивания воды обычно руководствуются рекомендациями табл. 15 1, приведенными также в таблице 3.2. При обосновании для обработки воды допускается применять и сооружения, не указанные в СНиП 1. (плавучие водозаборы-осветлители, гидроциклоны, флотационные установки и др.). Таблица 3.2 Технологические схемы осветления и обесцвечивания воды #G0 Основные сооружения Условия применения Производительность станции, м3/сут Мутность, мг/л Цветность, град исходная вода очищенная вода исходная вода очищенная вода Обработка воды с применением коагулянтов и флокулянтов 1. Скорые фильтры (одноступенчатое фильтрование): а) напорные До 30 До 1,5 До 50 До 20 До 5000 б) открытые До 20 До 1,5 До 50 До 20 До 50000 2. Вертикальные отстойники - скорые фильтры До 1500 До 1,5 До 120 До 20 5000 3. Горизонтальные отстойники - скорые фильтры До 1500 До 1,5 До 120 До 20 Св. 30000 4. Контактные префильтры - скорые фильтры (двухступенчатое фильтрование) До 300 До 1,5 До 120 До 20 Любая 5. Осветлители со взвешенным осадком - скорые фильтры Не менее 50 до 1500 До 1,5 До 120 До 20 Св. 5000 6. Две ступени отстойников - скорые фильтры Более 1500 До 1,5 До 120 До 20 Любая 7. Контактные осветлители До 120 До 1,5 До 120 До 20 То же 8. Горизонтальные отстойники и осветлители со взвешенным осадком для частичного осветления воды До 1500 8 - 15 До 120 До 40 -«- 9. Крупнозернистые фильтры для частичного осветления воды До 80 До 10 До 120 До 30 -«- 10. Радиальные отстойники для предварительного осветления высокомутных вод Св. 1500 До 250 До 120 До 20 -«- 11. Трубчатый отстойник и напорный фильтр заводского изготовления (типа «Струя») До 1000 До 1,5 До 120 До 20 До 800 Обработка воды без применения коагулянтов и флокулянтов 12. Крупнозернистые филь-тры для частичного осветления воды До 150 30 - 50% исх-ной До 120 Такая же,как исх. Любая 13. Радиальные отстойники для частичного осветления воды Более 1500 30 - 50% До 120 То же То же 14. Медленные фильтры с механической или гидравлической регенерацией песка До 1500 1,5 До 50 До 20 -«- На рис. 2.1 приведены некоторые схемы полной очистки воды (из табл. 2.1), предназначенной для питьевых нужд населения. Рис. 3.1. Схемы осветления и обеззараживания воды с основными сооружениями: а) с отстойниками - скорыми фильтрами; б) с осветлителями со взвешенным слоем – скорыми фильтрами; в) с контактными осветлителями; г) с контактными префильтрами – скорыми фильтрами; 1 – смеситель; 2 – камера хлопьеобразования; 3 – отстойник; 4 – скорый фильтр; 5 – РЧВ; 6 – осветлитель со взвешенным осадком; 7 – барабанная сетка; 8 – контактный осветлитель ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие основные требования предъявляются к качеству питьевой воды? 2. Назовите основные микробиолиогические показатели воды? 3. Какие должны быть органолептические свойства питьевой воды? 4. Как осуществляется оценка качества воды в источнике? 3. Физико-химическая сущность коагулирования загрязнений природных вод Загрязнения природных вод, особенно те, которые обуславливают цветность ее, очень трудно извлекаются без предварительной коагуляции (слипания) загрязнений (гумусовые, органические кислоты). Очень плохо слипаются коллоидные загрязнения. Все частицы, движущиеся в воде, несут на своей поверхности электрокинетический заряд и 99% из них несут отрицательный заряд (так называемый -потенциал). Надо либо свести его к минимуму, либо перезарядить, что практически не выполнимо. Коагулированные структуры Природная вода является комплексом, в котором химически чистая вода называется дисперсионной средой, а находящиеся в ней загрязнения – дисперсной фазой Различают два типа структур дисперсной фазы: первичные и вторичные. Первичные структуры – это структуры отдельных частиц загрязнений в суспензиях или золях. (Суспензия – это взвешенные вещества с водой. Золь – это коллоидные вещества с водой. Например, цветная вода – это золь). Вторичная структура – это ассоциаты отдельных частиц вследствие их взаимодействия, слипания и последующего укрупнения. Вторичная структура является коагуляционной структурой. Для образования коагуляционной структуры необходимо астабилизировать первичные частицы, а также превысить некоторую критическую концентрацию твердой фазы в суспензии, либо в золе. Образующиеся в системе: жидкость – твердая фаза ассоциаты астабилизированных нерастворимых частиц могут укрупняться путем коагуляционных взаимодействий с формированием пространственной структуры, называемой коагуляционной структурой. На скорость структурообразования большое влияние оказывают: размер, форма и поверхностные электрокинетические свойства, т.е. знак и величина заряда исходных частиц. Если частицы имеют сильный отрицательный заряд – частицы сильно отталкиваются. При слабом отрицательном заряде легче укрупнить частицы. Плавное перемешивание массы воды и повышение температуры ее способствует ускорению образования коагуляционных структур. Свойства структуры в первую очередь определяются степенью астабилизации частиц. При неполной астабилизации структуры получаются рыхлые, легкие, а их внутренние полости заполнены водой. При высокой степени астабилизации частиц, образуются более компактные, прочные и тяжелые структуры. Основным средством снижения устойчивости от взаимного слипания взвешенных и коллоидных частиц природной воды являются химические вещества, называемые коагулянтами. Наиболее распространенные среди них: сульфат алюминия Al2(SO4)3, сульфат железа Fe2(SO4)3, хлорид железа FeCl3, хлорид алюминия AlCl3, гидроксохлорид алюминия Al2(OН)5Cl. Основная причина явления коагуляции – это способность указанных солей подвергаться гидролизу в водной среде. Ход процесса гидролиза в свободном объеме воды можно проследить на примере сульфата алюминия. Гидролиз иона алюминия проходит ступенчато: Al3+ + H2O Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ + H2O + H+ + H2O + H+ Al3+ + 3H2O + 3H+ мицелла гидроксида алюминия (Мицелла – ассоциат какого-то N-го количества молекул гидроксида алюминия). В процессе очистки воды от взвешенных веществ, мицеллы гидроксида алюминия, несущие на своей поверхности небольшой отрицательный заряд (или даже небольшой положительный заряд) сорбируются на поверхности частичек взвеси, находящихся в очищаемой воде. (Частицы отрицательно заряжены). В результате этого прилипания частицы взвеси покрываются плотным слоем частиц гидроксида алюминия. Таким образом взвешенные вещества покрытые слоем гидроксида алюминия играют роль поверхности стимулирующей адсорбционно-коагуляционное взаимодействие и способствуют образованию агрегативных коагуляционных структур. Взвешенные (глинистые) частицы покрытые слоем более мелких частиц гидроксида алюминия соединяются между собой посредством цепочечных структур гидроксида алюминия, образуя мостики. Образование мостиков происходит при небольших концентрациях взвешенных частиц в воде. В случае повышенных концентраций взвеси в воде частицы взвеси покрытые слоем гидроксида алюминия соединяются друг с другом без мостиков, образуя более плотную структуру. Схематично это представлено на рис.1. а) б) Рис. 2.1 а) Структура хлопьев при малой концентрации взвеси в воде (мостики из гидроксида алюминия): 1 – частица взвеси; 2 – мицелла гидроксида алюминия; 3 – частицы гуминовых веществ; 4 – мостик; б) структура хлопьев при большой (повышенной) концентрации взвеси в воде: 1 – частица взвеси; 2 – мицелла гидроксида алюминия; 3 – частицы гуминовых веществ Весь процесс осветления воды, начиная с образования мицелл гидроксида алюминия, (железа) и заканчивая осаждением можно условно разделить на несколько этапов. Схематично это представлено на рис. 2.2. Рис. 2.2 Этапы процесса осветления воды: Т – время протекания процесса осветления, (ч); I этап – этап скрытой коагуляции (0,2 часа) происходит гидролиз (образование мицелл гидроксидов) (вода прозрачная); II этап – этап хлопьеобразования (увеличение мутности); III этап – этап седиментации (осаждения) концентрация взвеси уменьшается); IV этап – завершение процесса осветления воды На первом этапе после введения в воду коагулянта происходит гидролиз его с образованием мицелл и последующим их агрегированием в более крупные частицы золя от 0,05 до 0,1 мкм (появляется опалесценция), визуально – дымка в сосуде с водой (хорошо видно в солнечных лучах). Этот этап называется стадией скрытой коагуляции. Затем начинается этап построения цепочечных коагуляционных структур и образования огромного количества мельчайших хлопьев, которые объединяются (агрегируются) в более крупные и достигнув определенных размеров оседают (под действием гравитации). Наступает стадия осаждения (седиментации). О механизме коагулирования загрязнений природных вод От чего зависит скорость коагуляции и осветления воды? Чем выше плотность частиц, тем быстрее они будут осаждаться. Чем больше мутность воды, тем плотнее и крупнее хлопья образуются и они быстрее оседают. Высокоцветные воды обоазуют рыхлые хлопья (хоть и крупные), поэтому они оседают с меньшей скоростью. Для быстрого осаждения в отстойных сооружениях хлопья должны иметь достаточную для этого плотность, которая зависит от: концентрации твердых частиц в структуре хлопьевидного осадка. Количество твердых частиц в объеме хлопьев чистого гидроксида железа или алюминия не велико и измеряется долями процента. Хлопья в этом случае имеют объемную плотность порядка = 1,03…1,04 г/см3 (процесс осаждения длительный и неэффективный). Это объясняется рыхлой структурой хлопьев и большим количеством, связанной с ним воды. Рыхлая, легкая структура хлопьев образуется при коагулировании маломутных вод, а более плотные и тяжелые хлопья с плотностью = 1,04…1,07 г/см3 образуются при более высокой концентрации взвеси в воде. При этом частицы взвеси покрываются частицами гидролизованного коагулянта. Процесс обесцвечивания воды по своей физико-химической сущности несколько отличается от процесса осветления воды от взвеси. После гидролиза введенного в воду коагулянта и формирования образовавшегося гидроскида в виде мельчайших хлопьев получается огромное количество активных поверхностей с небольшим положительным, либо отрицательным - потенциалом. Коллоидные частицы, обусловливающие цветность воды, несущие на своей поверхности отрицательный - потенциал адсорбируются на поверхности мельчайших хлопьев гидроксидов. Величина адсорбции коллоидных частиц цветности пропорциональна их дисперсности (крупности). Различают мелкодисперсные, среднедисперсные и крупнодисперсные частицы. Чем выше дисперсность коллоидных частик, тем сильнее их адсорбция на мельчайших частицах гидроксида. На степень очистки воды влияют такие параметры гидроксидов: удельная поверхность, прочность и адсорбционная активность. 4. РЕАГЕНТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Реагенты, используемые для очистки воды должны подготовить воду для эффективной очистки и подразделяются на: - коагулирующие; - флокулирующие; - подщелачивающие; - подкисляющие; - обеззараживающие. Каждый из реагентов выполняет определенную функцию. Так, для создания благоприятных условий гидролиза коагулянтов иногда прибегают к повышению рН воды за счет введения щелочи. 4.1. Коагулянты Коагулянтами называются реагенты, служащие для укрупнения коллоидных и взвешенных частиц дисперсной системы, происходящей в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. Химическую основу коагулянтов составляют соли алюминия или железа. В качестве коагулянтов наиболее часто используется сульфат алюминия , кроме него применяют соли железа . В последние годы в России и на Дальнем Востоке нашел широкое применение оксихлорид алюминия . При добавке в воду коагулянта, например сульфата алюминия, происходит его диссоциация с последующими гидролизом: (4.1) Из уравнения 4.1 видно, что в процессе гидролиза происходит повышение кислотности воды и снижение рН среды. Для полного протекания реакций вправо необходимо связать ионы водорода. Частично, это происходит за счет природной щелочности воды (4.2) Если природной щелочности недостаточно воду необходимо подщелачивать известью или содой Основные характеристики часто применяющихся реагентов приведены в табл. 4.1. Таблица 4.1 Характеристики реагентов Наименование Химическая формула Содержание активного вещества в техническом продукте а, % Объемная масса , кг/м3 Примечания Коагулянты Алюминия сульфат гранулированный ГСА 51 в расчете на , 16 % Al2O3 1100 Поставка в мешках или в контейнерах типа BIG-BAG Алюминия оксихлорид (ОХА) Al2O3 - в жидком 20-25%, в твердом -40-50% 1300-1400 Поставка в жидком виде Алюминат натрия 55 Al2O3 1200 Поставка в мешках Железо хлорное FeCl3 95 - 97 1300 Поставка в металлических барабанах Реагенты для подщелачивания Известь негашеная СаО 60-85 1000 Поставка в контейнерах типа BIG-BAG Сода кальцинированная техническая 98 1000 Поставка в мешках Флокулянты Праестол 650 100 1000 Поставка в мешках Полиакриламид-гель технический   марки "аммиачный" 6 1000 Поставка в мешках Флокулянт ПАА-ГС (полиакриламид гранулированный) 50 -56 1000 Гранулы, поставка в мешках Массу реагента, используемую на обработку единицы объёма воды, называют дозой. Дозы реагентов зависят от количества некоторых примесей в воде, температуры воды, состава водоочистных сооружений и других обстоятельств. Дозы реагентов устанавливаются технологическими исследованиями на источнике (пробным коагулированием). При отсутствии исследований для предварительных расчетов следует использовать рекомендации по применению доз реагентов в нормах 1, в зависимости от концентрации определяющих примесей. При использовании в качестве коагулянта сульфата алюминия его доза, мг/л, в расчете на безводный продукт () для удаления цветности определяют по формуле: (4.3) где Ц – цветность воды, град. Для обработки мутных вод дозу сульфата алюминия принимают по таблице 4.2. в зависимости от мутности воды. Таблица 4.2 Определение дозы коагулянта #G0Мутность воды, мг/л Доза безводного коагулянта для обработки мутных вод, мг/л #G1 До 100 #G025 - 35 #G1 Св. 100 до 200 #G030 - 40 #G1 « 200 « 400 #G035 - 45 #G1 « 400 « 600 #G045 - 50 #G1 « 600 « 800 #G050 - 60 #G1 « 800 « 1000 #G060 - 70 #G1 « 1000 « 1500 #G070 - 80 Примечание. При одновременном содержании в воде взвешенных веществ и цветности принимается большая из доз коагулянта, определенных по табл. 4.2 и формуле (4.2). Каждый из приведенных в таблице (4.2) коагулянтов имеет свои достоинства и недостатки. Сульфат алюминия имеет самую низкую цену, но малую долю активного вещества. Алюминат натрия не требует подщелачивания. Оксихлорид алюминия сравнительно новый реагент. Его применение обусловлено следующими преимуществами: - стабильный и устойчивый процесс образования и осаждения хлопьев происходит при дозах ОХА 1-4 мг/л; - ОХА очень незначительно снижает щелочность и значение рН воды; - ОХА более эффективен по сравнению с другими реагентами в зимний период при низких температурах воды; - товарная доза вводимого коагулянта ОХА в 1,5 – 3,0 раза меньше дозы сульфата алюминия; значительно меньше трудозатраты при разгрузке, хранении и приготовлении рабочих растворов; - дополнительное введение флокулянтов с дозой 0,1 – 0,2 мг/м3, как правило, улучшает процесс коагуляции; в условиях паводка применение ОХА позволяет отказаться от использования флокулянтов. Необходимые для улучшения процесса хлопьеобразования дозы подщелачивающих реагентов Дщ , мг/л, определяют по формуле: (4.4) где Дк – доза безводного коагулянта, мг/л; - эквивалентная масса коагулянта (безводного), мг/мг-экв, принимаемая для - 57; - коэффициент, равный для извести(по CaO) – 28, для соды по - 53. При получении по формуле 4.4 отрицательного значения дозы щелочи подщелачивание не требуется. Реагенты для подщелачивания воды следует вводить одновременно с вводом коагулянтов. 4.2. Флокулянты К флокулянтам относятся химические вещества, ускоряющие процесс хлопьеобразования и седиментации образовавшихся хлопьев коагулянта. В воде флокулянты образуют макромолекулы. Эти молекулы адсорбируют гидроксиды коагулянтов, связывая их вместе с примесями в крупные, тяжелые хлопья. Все известные в настоящее время флокулянты подразделяются на неорганические полимеры и синтетические органические полимеры. По заряду макромолекулы различают флокулянты анионного типа (с отрицательным зарядом макромолекулы) и катионного (с положительным зарядом). Поскольку большинство примесей природных вод заряжены отрицательно, то флокулянты анионного типа дают эффект при использовании их дополнительно к коагулянту. Флокулянты катионного типа могут использоваться самостоятельно без коагулянта. Наиболее распространенный неорганический флокулянт - активная кремниевая кислота (АК), получаемая путем конденсации низкомолекулярных кремниевых кислот или их трудно растворимых солей. Сырьем для получения АК является жидкое стекло - водный раствор силиката натрия, содержащий 23-39% SiO2 и 8-15% Na2O. Химический состав силиката натрия выражается формулой Na2O  mSiO2  nH2O. Для активации силиката натрия с целью получения кремниевой кислоты из ее соли используются минеральные кислоты (HCl, H2SO4), диоксиды углерода и серы (CO2, SO2). После перемешивания раствора силиката с активатором система выдерживается в течение 1-2 часов для вызревания золя. Затем созревший золь разбавляют водой до концентрации SiO2 0,5-0,75% и используют в качестве рабочего раствора, дозируя его в обрабатываемую воду. Отрицательный  -потенциал золя АК улучшает сорбционное взаимодействие с положительно заряженными частицами (хлопьями) гидроксидов алюминия или железа. Из синтетических высокомолекулярных анионных флокулянтов наибольшее распространение получил полиакриламид (ПАА). Получают полиакриламид полимеризацией 4-9% водных растворов акриламида в окислительно-восстановительной среде в присутствии персульфата калия, триэтаноламина и гидросульфата натрия. Полиакриламидные флокулянты в большинстве случаев выпускают в виде геля с содержанием полимера от 7 до 11%. Более удобен для транспортировки и использования гранулированный полиакриламид с содержанием основного вещества 82-98%. Одним из флокулянтов такого типа является ПАА-ГС (полиакриламид гранулированный сульфатный) с содержанием основного вещества около 90%. Полиакриламид гидролизуется в воде с образованием акриловой кислоты и ее солей. При этом образуются карбоксильные группы, придающие молекулам ПАА отрицательный заряд. В последние годы в России стали широко применяться флокулянты марки Праестол (преимущественно Праестол-650). Праестол - это органические, синтетические, высокомолекулярные вспомогательные средства флокуляции на основе полиакриламида. Все флокулянты этого типа предлагаются как в форме гранулята (твердые продукты), так и в жидкой форме в виде эмульсий. Для осаждения отрицательно заряженных примесей природных вод (взвесь и коллоидные частицы гумусовых веществ), весьма целесообразно использование катионного флокулянта ВА-2. Сырьем для получения этого флокулянта служит полистирол. Установлено, что для очистки мутных вод оптимальные дозы его составляют 0,4-4% от концентрации дисперсной фазы (взвеси), а при обесцвечивании воды - 0,2-1 мг/дм3 на 10 градусов цветности. Использование ВА-2 вместо сульфата алюминия увеличивает в несколько раз продолжительность фильтроцикла фильтровального сооружения. Промышленность выпускает более сотни различных марок флокулянтов, характеристики некоторых из них приведены в таблице 4.1. Дозу флокулянтов (в дополнение к дозам коагулянтов) следует принимать на основании технологических исследований, а для полиакриламида (ПАА) по рекомендациям 1, считая по безводному продукту: - при вводе перед отстойниками или осветлителями со взвешенным осадком - по таблице 4.3; - при вводе перед фильтрами при двухступенчатой очистке - 0,05-0,1 мг/л; - при вводе перед контактными осветлителями или фильтрами при одноступенчатой очистке, а также перед префильтрами - 0,2-0,6 мг/л. Таблица 4.3 Определение дозы флокулянта #G0Мутность воды, мг/л Цветность воды, град Доза безводного ПАА, мг/л #G1 До 10 #G0Св. 50 1 - 1,5 #G1 Св. 10 до 100 #G030-100 0,3 - 0,6 #G1 « 100 « 500 #G020-60 0,2 - 0,5 #G1 « 500 « 1500 #G0- 0,2 - 1 Флокулянты следует добавлять в воду после коагулянта. При очистке высокомутных вод допускается ввод флокулянтов до коагулянтов. Следует предусматривать возможность введения флокулянтов и коагулянтов с разрывом во времени до 2-3 мин в зависимости от качества обрабатываемой воды. Флокулянты следует применять в виде растворов с концентрацией полимера 0,1-1%. Иногда флокулянты вводятся дробно – часть расчетной дозы вводится в смеситель, часть – перед фильтрами. 4.3. Хранение, приготовление растворов и дозирование реагентов Комплекс устройств, сооружений, оборудования для складирования, хранения, приготовления растворов и дозирования реагентов называют обычно реагентным хозяйством водоочистной станции. Реагенты на станцию поставляются в сухом виде (порошки, гранулы кусковые материалы), в виде раствора или сжиженного газа (хлор, аммиак, кислород). Реагенты в твердом виде доставляются навалом, в мешках или в мягких контейнерах. Растворы доставляются крепостью до 30% в автомобильных или железнодорожных цистернах. Сжиженные газы транспортируются в специальных баллонах или контейнерах. Обычно реагенты вводятся в обрабатываемую воду в виде растворов, поэтому сухие вещества перед использованием следует растворять. Порошкообразные, хорошо растворимые реагенты, вводят в воду в их естественном сухом виде с помощью специальных дозаторов. Сухое дозирование не получило в России широкого распространения. Способ хранения и использования реагентов зависит их агрегатного состояния, от условий поставки с заводов-изготовителей, и расхода вещества. При небольших расходах реагентов их хранят на складе в сухом виде, навалом или заводской таре. В этом случае приходится периодически готовить рабочие растворы. Приготовление растворов при сухом хранении достаточно трудоемко и сопровождается выделением вредностей в воздух цеха. Широкое распространение получил способ мокрого хранения реагентов. С этой целью на водоочистной станции предусматривают специальные резервуары, в которых расчетный запас коагулянта, доставляемого с завода-изготовителя, хранится в виде концентрированного раствора. В процессе эксплуатации этот раствор подается в расходные баки, где доводится до рабочей концентрации и затем дозируется в обрабатываемую воду. На станции должен хранится запас реагентов на срок не менее 15 суток. 4.3.1. Отделение приготовления коагулянта Наиболее распространенные схемы приготовления коагулянта приведены на рис 4.1. На схеме 4.1.а) коагулянт на станцию доставляется автотранспортом и хранится на складе 5 в транспортной таре. При хранении реагентов в таре высота штабеля обычно от 1,5 до 3 м. По мере надобности коагулянт со склада перемещают в растворные баки, где он растворяется водой до концентрации 15-24 %. В случае использования кускового коагулянта растворные баки должны быть снабжены колосниковой решеткой, на которой располагается кусковой материал. Для ускорения процесса растворения коагулянта производится барботаж воздухом с помощью дырчатых труб, расположенных под колосниковой решеткой. По мере растворения коагулянта находившиеся в кусках примеси (шлам) через отверстия колосниковой решетки опускается на дно растворного бака. Днища баков устраиваются с наклоном к горизонту под углом 450. Для выпуска шлама служит трубопровод d = 150 мм. После отстаивания раствор коагулянта перекачивают насосом 2 в расходные баки 3, где разбавляют водой до концентрации 4-10% и подают в очищаемую воду насосом-дозатором 4. Днища расходных баков также должны иметь уклон к сбросному трубопроводу, диаметр которого d = 100 мм. Для перегрузки коагулянта от транспорта на склад и далее к растворному баку в цехе предусматривается грузоподъемный механизм 5. Время полного цикла приготовления раствора коагулянта (загрузка, растворение, отстаивание, перекачка, при необходимости чистка поддона) следует принимать 10-12 ч. Количество растворных баков надлежит принимать с учетом объема разовой поставки, способов доставки и разгрузки коагулянта, его вида, а также времени его растворения и должно быть не менее трех. Количество расходных баков должно быть не менее двух. Отделение приготовления коагулянта с мокрым хранением приведено на рис. 4.1. б). Здесь вся масса коагулянта, рассчитанная на нормативный срок хранения, выгружается в растворные баки-хранилища 1 и коагулянт хранится в виде раствора. Растворение коагулянта производится только при его доставке (1 – 2) раза в месяц, поэтому при приготовлении реагента создаются лучшие условия труда. Дальнейшее приготовление рабочего раствора и его дозирование аналогично приведенному на рис. 4.1.а). При сухом хранении коагулянта площадь склада F, м2, находится по формуле , (4.6) где, Т – период хранения реагента, сут;  - коэффициент учитывающий дополнительную площадь на проходы, равный 1,15;  - объемная масса реагента, кг/м3; h - высота штабеля регента, м. Вместимость каждого растворного бака равна: , (4.7) где Траств - время полного цикла приготовления раствора, ч; раств - объемная масса раствора, равная около 1000 кг/м3; bраств – концентрация коагулянта в растворном баке в активном продукте, %. Емкость каждого расходного бака определяется по формуле , (4.8) где bрасх – концентрация раствора в расходных баках, равная 4 – 10%. Все баки, как правило, выполняются близкой к кубу формы из железобетона со стенками толщиной 100 -200 мм, покрытыми кислотоупорными материалами. При мокром хранении коагулянта в растворных баках с получением в них концентрированного раствора (15-20 %), в зависимости от конструкции баков и крепости раствора реагента объем баков следует определять из расчета 1,9 - 2,5 м3 на 1 т товарного коагулянта. Общая емкость растворных баков должна быть увязана с объемом разовой поставки реагента. Количество растворных баков должно быть не менее трех. Число расходных баков при этой технологии также должно быть не менее двух. Вместимость каждого расходного бака должна быть равной: , (4.9) где Трасх – время, на которое предусматривается запас рабочего раствора реагента, равное обычно 12 – 24 ч; расх - объемная масса раствора, равная 1000 кг/м3; bрасх – концентрация рабочего раствора коагулянта в баке по активном продукте, равная 4 - 10%. 4.3.2. Отделение приготовления щелочных реагентов Хранение и приготовление соды аналогично приготовлению коагулянта. Хранение соды возможно как в сухом (в заводской таре), так и в мокром виде. Сода является хорошо растворимым реагентом, практически не содержащим нерастворимых примесей. Раствор соды концентрацией 5-8% готовят в железобетонных или стальных баках с плоским или слегка коническим днищем. Перемешивание и растворение порошкообразной или кусковой соды осуществляют циркуляционным насосом, лопастной мешалкой, либо сжатым воздухом. Для ускорения растворения соды вода подогревается до 60 0С. Растворные баки для соды не требуют больших уклонов днищ для удаления осадка. Обычно для опорожнения баков достаточен уклон 5 – 10 %. Поскольку сода растворяется хорошо и быстро, то рабочие растворы возможно готовить сразу в расходных баках (без растворных). С этой целью нормами рекомендуется 3 бака, емкость каждого определяется по формуле (4.9). Приготовление извести имеет свои особенности, так как известь является мало растворимым веществом. Предельная растворимость извести при расчете на СаО при температуре 10 0С составляет 1330 мг/л, то есть 0,133 %. Поэтому известь дозируется в виде суспензии, называемой известковым молоком, с концентрацией до 5% по СаО. Поскольку известковое молоко предрасположено к расслоению, то оно нуждается в постоянном перемешивании. Кроме того, в извести содержатся песок и частицы недопала, поэтому известковое молоко необходимо очищать. С этой целью используются вертикальные отстойники или гидроциклоны. При использовании комовой извести следует предусматривать ее гашение и хранение в емкостях в виде теста 35-40% концентрации. Объем емкостей определяют из расчета 3,5-5 м3 на 1 т товарной извести. Помещения известкового хозяйства относятся к запыленным, поэтому емкости для гашения извести и приготовления известкового молока следует размещать в изолированном помещении, оборудованном приточно-вытяжной вентиляцией. Приготовление известкового молока осуществляют в баках, число которых должно быть не менее двух. Баки должны иметь конические днища с углом 450 и сбросные трубопроводы диаметром не менее 100 мм. Перемешивание извести в баках осуществляют гидравлическим способом с помощью циркуляционного насоса при восходящей скорости не менее 5 мм/с (18 м/ч), механической мешалкой, либо барботированием воздухом с интенсивностью 8-10 л/с. м2. Мешалки извести служат расходными баками, емкость их определяется по формуле (4.9). Некоторые типы мешалок выпускаются промышленностью России (http://www.talnah.ru/isvmilk.htm). Вариант схемы известкового хозяйства приведен на рис. 4.2. 4.3.3. Отделение приготовления флокулянтов Особенным свойством флокулянтов является их старение, поэтому срок хранения в растворе ограничен. Хранение флокулянтов производится в заводской таре (мешках, бочках). Для их растворения используются специальные мешалки, так как при перемешивании непрочного в связях высокомолекулярного реагента обычными центробежными насосами разрываются цепочки молекул флокулянта и теряются его активные свойства. Вариант приготовления флокулянта приведен на рис. 4.3. Растворные мешалки заводского изготовления состоят из бака 1, собственно лопастной электрической мешалки 2 и насоса для циркуляции и перекачки раствора 4. Флокулянт по мере необходимости высыпается в бак через люк в его верхней крышке. Далее раствор перекачивается в расходный бак 7, расположенный на отметке, позволяющей самотечную подачу флокулянта в смеситель. Для дозирования использован объемный, поплавковый дозатор 8. Подача раствора флокулянта в смеситель производится эжектором 6, в который подается вода с напором 10 – 20 м. В таблице 4.4 приведена показатели мешалки флокулянта предприятия «Талнах» г. Тулы. Таблица 4.4    Технические характеристики мешалки для приготовления раствора флокулянта Обозначение Объем, м3 Диаметр, мм Высота, мм Габарит в плане, мм Масса, кг МГФ-4 4 1600 2100 3370 1600 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие виды реагентов используются при очистке природных вод? 2. Виды коагулянтов, их достоинства и недостатки.? 3. Опишите кинетику коагуляции примесей воды? 4. Какие основные флокулянты применяются для очистки воды? 5. Способы приготовления коагулянтов. 6. Основные подщелачивающие реагенты. 7. Способы хранения реагентов. 8. Какие особенности приготовления известкового молока? 9. Принципы расчета сооружений реагентного хозяйства. 10. Основные требования при конструировании сооружений реагентного хозяйства. 5. Дозаторы и насосы перекачки реагентов Для обеспечения устойчивого процесса очистки воды необходимо вводить постоянную дозу реагентов, определенную расчетом или в результате технологических анализов. Схема дозирования может включать насосы, перекачивающие рабочий раствор реагента в дозатор или состоять только из насосов-дозаторов. Применяются два типа дозаторов: - дозаторы постоянной дозы, которые применяются при равномерной подаче исходной воды с постоянным качественным составом (поплавковые, дозировочные бачки с щелевым водосливом, большинство насосов-дозаторов); - пропорциональные дозаторы, автоматически корректирующие дозу при изменении расхода или качества воды (шайбовые, пропорционального расхода, автоматические, ДИМБА, насосы-дозаторы с электрофицированным вариатором или частотным регулятором). Применение насосов-дозаторов приобретает в последнее время наибольшее распространение, поскольку они упрощают схему дозирования. В качестве насосов-дозаторов используются плунжерные серии НД, шланговые перистальтические НП; винтовые 1В6/10х, Н1В; мембранные типа НДГ; сильфонные НДС и другие разновидности насосов. На рынке появились разнообразные импортные насосы-дозаторы. В отечественной практике наибольшее применение нашли насосы НД. Насос-дозатор серии НД (рис. 5.1) представляет собой одноплунжерный агрегат, предназначенный для объемного напорного дозирования нейтральных и агрессивных жидкостей, эмульсий и суспензий, с характеристиками, приведенными в услов­ном обозначении насоса. Условные обозначения агрегата содержат: НД — тип агрегата с регулированием подачи вручную при его остановке; 2,5 — категория точности дозирования; параметры номи­нального режима агрегата, записанные в виде дроби, в числителе которой - подача, л/ч, а в знаменателе - предельное давление, ати или 0,1·МПа (например, 2500/10). Рис. 5.1. Схема насоса-дозатора НД: 1 — электродвигатель, 2 — редуктор, 3 — гидроцилиндр, 4 — указатель длины хо­да плунжера, 5 — гайка, 6 — регулировочное кольцо, 7 — хвостовик вала, 8 — вход раствора, 9 — выход раствора Насо­сы серии НД позволяют регулировать расход дозируемой жидкости (подачу) вручную при остановленном электродвигателе изменением длины хода плунжера (рис. 5.1). Технические характеристики насо­сов-дозаторов приведены в табл. 5.1. На водоподготовительных установках обычно используют насо­сы-дозаторы, обеспечивающие давление 1,0—1,6 МПа. В конструк­циях насосов-дозаторов отсутствует предохранительный клапан, его роль исполняет контактный манометр, дающий импульс на отключе­ние электродвигателя при превышении заданного давления. Таблица 5.1 Характеристики насосных агрегатов серии НД 12. Показатель Тип НД 2,5 25/100 НД 2,5 40/160 НД 2,5 100/250 НД 2,5 63/100 НД 2,5 100/63 НД 2,5 400/16 НД 2,5 630/10 НД 2,5 1000/10 НД 2,5 1600/10 НД 2,5 2500/10 Подача при номинальном режиме, л/ч 25 40 100 63 100 400 630 1000 1600 2500 Предельное давление, МПа 25 16 25 10 6,3 1,6 1,0 1,0 1,0 1,0 Число двойных ходов плунжера, ход/мин 100 Диаметр плунжера, мм 10 12 20 16 20 40 50 60 80 100 Минимальная подача, л/ч 6 10 25 16 20 100 160 25 400 600 Диаметр условного прохода присоединительных патрубков, мм 10 25 32 40 Габариты (длина х ширина х высота), мм 475х215х465 803х280х670 840х 302х 726 965х 350х 840 970х 350х 840 Мощность электродвигателя, кВт 1,1 2,2 3,0 Масса с электродвигателем, кг 96 94 185 95 95 102 102 134 224 250 Требуе­мая подача насоса-дозатора, л/ч, рассчитывается по уравнению: (5.1) где Q — максимальная подача исходной воды, м3/сут; Д - максимальная доза реагента, мг/л; С — концентрация сус­пензии или раствора реагента, %. Требуемый напор насосов-дозаторов при самотечном движении воды по сооружениям не превышает 20 м (давление до 0,2 МПа), что значительно ниже возможностей насосов, приведенных в таблице 5.1. Для обеспечения надежной работы насосов-дозаторов и требуе­мой точности дозирования необходимо соблюдать бесперебойность подачи, обеспечивать постоянство концентрации дозируемых жид­костей и проводить регулярную промывку насосов-дозаторов освет­ленной водой в течение 5—7 мин. Насосы-дозаторы серии НДЭ характеризуются автоматическим регулированием подачи реагента в зависимости от расхода обрабатываемой воды. В дополнение к рабочим насосам-дозаторам требуется установка резервных тех же марок. В практике водоочистки применяются следующие типы объемных дозаторов: поплавковые постоянной дозы, пропорциональной дозы, автоматические. Поплавковый дозатор применен для дозирования флокулянта в примере 3 (рис. 4.3). На рис. 5.2. приведен пример дозатора с расходом реагента, пропорциональным расходу обрабатываемой воды. При изменении расхода исходной воды увеличивается или уменьшается уровень в водомерном бачке 4. Система палиспастов изменяет положение дозирующей диафрагмы 6, т.е. напор истечения реагента из бачка 7. Таким образом, увеличение расхода воды приводит к возрастанию напора истечения и, следовательно, пропорциональному повышению дозы поступающего в приемную воронку 1 реагента. Автоматические дозаторы изменяют дозу вводимого реагента в зависимости от некоторых качественных показателей исходной воды: прозрачности, электропроводности, рН. От анализатора качества поступает соответствующий управляющий сигнал на регулирующий орган дозатора, например регулирующий вентиль. Для перекачки растворов реагентов в расходные баки или в объемные дозаторы применяются специальные химические насосы, параметры некоторых из которых приведены в таблице 5.2. Таблица 5.2 Насосы из специальных коррозионно-стойких сплавов Тип насоса Производительность, м3/ч Напор, м Мощность электродвигателя, кВт Х3/40 3 40 4 Х8/18 8 18 3 Х8/60 8 60 15 Х20/31 20 31 5,5 Х20/53 20 53 11 Х45/31 45 31 13 Х45/54 45 54 22 Х80/50 80 50 18,5 Х90/19 90 19 17 Х90/33 90 33 22 Х90/49 90 49 30 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие типы дозаторов применяются дозирования реагентов? 2. Какие достоинства имеют насосы-дозаторы? 3. Как регулируется подача насосов типа НД? 4. Принцип действия дозатора пропорциональной дозы? 6. Смесители воды с реагентами Условия смешения реагента с водой имеют решающее зна­чение для последующего процесса очистки воды. Проведение процессов смешения воды с реагентами в оптимальных условиях приводит к сущест­венной экономии коагулянта, позволяет проводить технологические про­цессы очистки вода о большими гидравлическими нагрузками. В настоящее время считается, что смешение реагентов с водой, в первую очередь коагулянта, должно быть проведено чрезвычайно быстро и энергично. Это положение базируется на теории коагуляции, в соответствии с кото­рой для нарушения устойчивости взвешенных частиц значительную роль играют промежуточные растворенные комплексы алюминия. В процессе гидролиза алюминия и железа образуются моно- и поли­мерные комплексы, при завершении физико-химических реакций - нерастворимые гидроокиси. В большинстве случаев именно адсорбция промежуточных коротко-живущих соединений вызывает дестабилизацию коллоидов и приводит к агломерации частиц и их коагуляции. Продолжительность существования про­межуточных соединений составят от 10-10 до 1 с. Завершение физико-химических реакций до момента полного смешения реагента с водой может привести к нарушению оптимальных условий коагуляции и к перерасходу коагулянта. Таким образом, необходимо обеспечить такой режим работы смесителей, чтобы коагулянт вступил в контакт с максимальным числом частиц загрязнений до того, как завершатся реакций гидролиза и полимеризации. Нормы проектирования требуют, чтобы время пребывания вода в смесителях было не более 2 мин. Конструкции применяемых смесителей весьма разнообразны. Их можно разделить на две группы: - смесители гидравлические, в которых перемешивание осуществляется за счет вихрей, образующихся при турбулизации потока; - смесители механические, оборудованные металлическими мешалками. Число смесителей (секций) надлежит принимать не менее двух с возможностью отключения их в периоды интенсивного хлопьеобразования. Резервные смесители (секции) принимать не следует, но необходимо предусматривать обводной трубопровод в обход смесителей с размещением в нем резервных устройств для ввода реагентов. 6.1. Гидравлические смесители На рис. 6.2 изображен гидравлический смеситель лоткового типа. Эти смесители рекомендуются при производительности очистных сооружений до 1000 м3/сут. Турбулизация потока производится за счет вихрей, образующихся при прохождении через круглые отверстия (дырчатые) или щели в перегородках (перегородчатые). Скорость движения воды в лотках смесителя принимают равной 0,6 м/с, в отверстиях или щелях – 1,0 м/с. В дырчатых смесителях перегородки (обычно 3 - 4) устанавливаются на расстояниях не менее ширины лотка, а в перегородчатых – двойной ширины. Время пребывания воды в лотковых смесителях t должно быть не более 1,5 мин. Лотковые смесители не рекомендуют использовать для воды с большим количеством грубодисперсных примесей и при ее известковании из-за возможности заиливания. Рис.6.1. Лотковый смеситель дырчатого типа: 1 – подача реагентов; 2 – лоток; 3 – дырчатая перегородка; 4 – круглые отверстия; 5 – отвод воды; 6 подача исходной воды; 7 – переливной трубопровод; 8 - переливной карман Расчет дырчатого смесителя. Назначается количество смесителей (секций). Определяется расчетный расход воды для каждого смесителя qсм . Определяется количество отверстий в каждой перегородке (6.1) где - скорость движения воды в отверстиях, принимается 1 м/с; - диаметр отверстия, принимается от 20 мм – на станциях малой производительности до 100мм – на станциях большой производительности. Для избежания подсоса воздуха отверстия располагают в затопленной водой части перегородок. Верхний ряд должен быть на глубине 0,1 – 0,15 м. Перепад уровней воды за каждой перегородкой, м, вызванный потерями напора в отверстиях (6.2) где - коэффициент расхода, зависящий от соотношения диаметра отверстия к толщине стенки , принимается в пределах: при =2 равным 0,65, при =1 – равным 0,75. Сечение лотка в конце смесителя равно: , (6.3) где - скорость движения воды между перегородками, принимается 0,6 м/с. Задаваясь глубиной воды в конце лотка Нк = 4-0,5 м, определяется ширина лотка . (6.4) Суммарная площадь отверстий в каждой перегородке определяется по формуле . (6.5) Минимальная площадь части затопленной части перегородки, м2, должна быть . (6.6) Определяется глубина воды за последней перегородкой, м, . (6.7) Общая высота смесителя находится по формуле , (6,8) где - количество дырчатых перегородок, принимается не менее трех; - строительный запас высоты, принимаемый 0,2 – 0,3 м. Расстояние между перегородками, , принимается равным (1-1,5). Общая длина смесителя находится по формуле , (6.9) где - количество секций, образующихся перегородками, включая переливной карман. Вихревой (вертикальный) смеситель является одним из самых распространенных. Вихревые смесители рекомендуется применять при поступлении на станцию воды с крупнодисперсными взвешенными веществами и при использовании реагентов в виде суспензий или частично осветленных растворов 1. На рис. 6.1 приведена схема этого смесителя. Вихревые смесители принимают в виде конического или пирамидального вертикального диффузора с углом между наклонными стенками 30—45°, высотой верхней части с вертикальными стенками от 1 до 1,5 м, при скорости входа воды в смеситель от 1,2 до 1,5 м/с, скорости восходящего движения воды под водосборным устройством от 30 до 40 мм/с, скорости движения воды в конце водосборного лотка 0,6 м/с. От водосборного лотка вода отводится в приемный карман, где устанавливается сороудерживающая сетка с ячейками 5 х 5 мм. Имеются также переливной и обводной трубопроводы. Коагулянт и известь вводятся в трубопровод перед смесителем, или в его нижнюю часть, флокулянт – в карман смесителя. В практике водоочистки при применении растворов реагентов, не содержащих взвешенных веществ, применяются так же смесители, устанавливаемые в трубопроводе, подающем исходную воду на сооружения очистки. На рис. 6.3 дана схема такого смесителя (камерно-лучевого распределителя). Камерно-лучевой распределитель располагается по оси потока обрабатываемой воды и состоит из: цилиндрической камеры с радиальными перфорированными ответвлениями, имеющими открытые торцы; циркуляционного патрубка, расположенного внутри камеры соосно, открытого с обеих сторон и закрепленного на основании камеры, обращенном к потоку; реагентопровода, присоединенного к камере с противоположной стороны. Реагентопровод может быть снабжен приемной воронкой при подаче раствора реагента самотеком, или соединен на фланцах соответствующей коммуникацией - при подаче под напором. Рис. 6.3. Камерно-лучевой распределитель внутри трубопровода 1 - корпус трубопровода; 2 - камера распределителя; 3 - лучевое ответвление; 4 - движение воды; 5 - отверстие для выхода раствора; 6 - радиальная распорка; 7 - глухая резиновая муфта, устанавливаемая с зазором 5—10 мм от корпуса трубопровода; 8 - циркуляционный патрубок; 9 - подача реагента; 10 – реагентопровод Эффективность действия камерно-лучевого распределителя обеспечивается за счет равномерного распределения разбавленного раствора по сечению потока. Его размещают, как правило, внутри трубопровода (при вертикальном и горизонтальном его положении). Расчетные показатели трубчатых смесителей и размеры их конструктивных элементов приведены в табл. 6.1. Таблица 6.1 Конструктивные параметры трубчатых смесителей Показатели и конструктивные элементы Значения показателей Продолжительность смешения при установке внутри трубопровода Т, с 0,6—1,0 Скорость потока V, м/с Не менее 0,5 Коэффициент гидравлического сопротивления  2,1 Отношения размеров элементов к диаметру D подающего (отводящего) трубопровода: диаметр камеры dк 0,25—0,30 диаметр циркуляционного патрубка dц 0,15—0,20 диаметр лучевого ответвления dл 0,05—0,08 диаметр реагентопровода dр 0,10—0,15 высота камеры Нк 0,30 высота циркуляционного патрубка Нц 0,20 длина лучевых ответвлений Lл 0,25—0,30 Число лучевых ответвлений nл 8 Диаметр боковых отверстий лучевых ответвлений dо, мм 4—10 При обосновании допускается применение смесителей механического типа (мешалок). Расчет других смесителей дан в 13, 14. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие типы смесителей применяются на станциях водоочистки? 2. Как устроены лотковые смесители? 3. Принцип расчета лотковых смесителей? 4. Как устроены вихревые смесители? 5. Какие достоинства имеет камерно-лучевой смеситель? 6. Какие требования предъявляются к смесителям? 7. Отстойники и камеры хлопьеобразования Отстойники, как правило, являются первой ступенью очистки воды. Они позволяют извлечь большую часть взвешенных загрязнений. Отстаивание взвеси в свободном объеме воды происходит под действием гравитационных сил. Скорость осаждения зависит от гидравлической крупности частиц грубодисперсных загрязнений. Укрупнение загрязнений и образование крупных тяжелых агрегатов происходит за счет реагентной обработки. Для создания благоприятных условий завершающей стадии процесса коагуляции - стадии формирования хлопьев - устраиваются камеры хлопьеобразования, которые, в большинстве случаев, встроены в корпус отстойников. Движение воды в отстойниках может быть горизонтальным, вертикальным, радиальным. Время отстаивания составляет 1,5 – 2,5 ч. Область применения отстойников различного типа приведена в таблице 3.1. 7.1 Камеры хлопьеобразования Камеры хлопьеобразования (камеры реакции) бывают с механическим и гидравлическим перемешиванием обработанной коагулянтом воды. В отечественной практике чаще используются гидравлические камеры, в которых создается турбулизация потока. Тип камеры зависит от конструкции отстойника. Для горизонтальных отстойников обычно используют перегородчатые, вихревые и со взвешенным слоем (зашламленного типа), поскольку их прямоугольная в плане форма удачно встраивается в конструкцию горизонтального отстойника. На рис. 7.1 показана камера реакции со слоем взвешенного осадка. Исходная вода из смесителя по распределительному трубопроводу в перфорированные распределительные трубы, уложенные по дну камеры. От дна камеры стенки располагают с наклоном, угол раствора составляет 50-700. Выше стенки выполняют вертикальными. Вода из труб выходит с большой скоростью, но с увеличением сечения камеры скорость снижается – возникают завихрения. В пирамидальной части камеры формируется взвешенный слой осадка, который способствует контактной коагуляции и эффективному хлопьеобразованию. Камера, размеры которой определяются габаритами отстойника, разделяется вертикальными перегородками, для того, чтобы движение воды было вертикальным. После 6-12 минутного пребывания вода через верх торцевой стенки перетекает в отстойник, на входе в который устанавливается погружная перегородка, заглубленная на ¼ высоты отстойника. Рис. 7.1. Камера реакции со слоем взвешенного осадка: 1 – павильон; 2 – камера реакции; 3 – перегородка; 4 - водораспределительная труба; 5 – подача воды в камеру; 6 – отстойник Расчет камеры реакции со слоем взвешенного осадка ведется обычно после расчета отстойников в следующей последовательности. Назначается ширина камеры, Вк.р., которая должна быть равна ширине отстойника или его коридора. Площадь (в плане), м2, камеры находится по формуле , (7.1) где q – расчетная производительность отстойников, м3/ч; N – Число коридоров отстойников (коридоров); uв – восходящая скорость движения воды, принимается 0,65 – 1,6 мм/с для вод средней мутности и 0,8 – 2,2 мм/с при осветлении мутных вод. Вычисляется длина камеры, м, . (7.2) Высоту камеры реакции принимают равной высоте отстойника. Объем камеры должен обеспечивать пребывание в ней воды в пределах рекомендуемого времени. Фактическое время нахождения воды в камере, ч, определяется . (7.3) Распределение воды осуществляется перфорированными трубами, уложенными по дну с расстояниями: от стенок до оси труб – 1 м, между соседними трубами – 2 м. Таким образом, при ширине камеры 4 м требуется две трубы, при ширине 6 м – три трубы. Скорость движения в начале труб принимается 0,5 – 0,6 м/с. Площадь отверстий в каждой трубе должна составлять 30 – 40% площади ее сечения. Диаметр отверстий принимается не менее 25 мм. Отверстия выполняются под углом 45% вниз в шахматном порядке. Сбор и отведение воды из камеры производится лотком или затопленным водосливом (через верх торцевой стенки, как показано на рис.). Ее высота должна быть такой, чтобы поток, образующийся между уровнем воды и верхом стенки, имел горизонтальную скорость не более 0,1 м/с для мутных вод и 0,05 м/с – для цветных вод. Скорость воды между стенкой (водосливом) и подвесной перегородкой в отстойнике должна быть не более 0,03 м/с. При количестве встроенных в отстойники камер реакции менее шести предусматривают одну резервную. Над камерами предусматривают павильон шириной не более 6 м. Устройство и расчеты иных камер хлопьеобразования для горизонтальных отстойников приведены в [7, 8]. Гидравлические камеры хлопьеобразования чувствительны к концентрации взвешенных веществ и температуре воды. При малой мутности воды, равно как и при низкой температуре, процесс хлопьеобразования проходит вяло, что не способствует образованию крупных агрегатов. В КХО с рециркуляторами осадка за счет возврата части хлопьев в зону контакта с поступающей водой создается концентрированная контактная масса, благоприятно сказывающаяся на хлопьеобразовании. Конструкция КХО с рециркуляторами системы М.Г. Новикова показана на рис. 7.2. Рис. 7.2. Камера хлопьеобразования с рециркуляцией осадка: 1 – отстойник; 2 – камера хлопьеобразования; 3 – рециркулятор осадка; 4 – перегородки, разбивающие камеру на последовательно работающие секции; 5 – подача воды на обработку; 6 – распределительная труба с соплами 7. 7.2 Горизонтальные отстойники Горизонтальные отстойники применяют при больших расходах обрабатываемой воды - более 30000 м3/сут. – поскольку имеют несложную конструкцию и сравнительно просты в эксплуатации. Они представляют собой прямоугольные в плане резервуары, выполненные обычно из железобетона (рис. 7.3). Для повышения равномерности распределения воды в поперечном сечении отстойника его делят в продольном направлении перегородками на ряд коридоров шириной от 3 до 6 м. Дно отстойника устраивают с уклоном не менее 0,01 в сторону входной части отстойника. Для сгребания осадка в сторону приямка иногда устраивается скребковый механизм в виде транспортера со скребками. При открытой задвижке на сбросном трубопроводе под действием гидростатического давления осадок в виде пульпы удаляется из отстойника. Другим способом удаления осадка является выпуск его через специальную дренажную систему из дырчатых труб или коробов, укладываемых по дну отстойника. Расстояние между осями соседних труб 2-3 м. Высоту горизонтального отстойника следует определять как сумму высот зоны осаждения Нср и зоны накопления осадка Нос с учетом превышения строительной высоты над расчетным уровнем воды не менее 0,3 м. Рис. 7.3. Конструкция горизонтального отстойника: 1 – водораспределительный лоток; 2 – затопленная перегородка; 3 – трубопровод сбора осадка; 4 – коридор отстойника; 5 - лоток или дырчатая труба для рассредоточенного сбора отстоянной воды; 6 – водосборный лоток (карман); 7 – шибер; 8 – отвод воды на фильтры; 9 – приямок осадка; 10 – трубопровод сброса осадка; 11 – лоток сбора осадка; 12 – камера реакции Площадь горизонтальных отстойников , м2, в плане следует определять по формуле , (7.4) где q - расчетный расход воды, м2/ч; об - коэффициент объемного использования отстойников, принимаемый равным 1,3; uo - скорость выпадения взвеси, мм/с, принимаемая по табл. 181 и обычно принимаемая равной: для мутных вод, не обработанных коагулянтом, 0,08-0,15; для вод средней мутности, обработанных коагулянтом, 0,45-0,50; для маломутных цветных вод, обработанных коагулянтом, 0,35-0,45. Длину отстойников L, м, следует определять по формуле , (7.5) где- средняя высота зоны осаждения, м, принимаемая равной 3-3,5 м; - расчетная скорость горизонтального движения воды в начале отстойника, принимаемая равной 6-8, 7-10 и 9-12 мм/с соответственно для вод маломутных, средней мутности и мутных. Ширина отстойника назначается конструктивно с учетом строительных модулей, обычно ширина принимается равной 6,0 или 4,5 м. При количестве секций менее шести следует предусматривать одну резервную. Отстойники располагаются вне здания станции обработки воды и поверх перекрытия обваловываются землей. 7.3. Вертикальные отстойники Вертикальные отстойники из-за больших габаритных размеров применяют на станция водоочистки производительностью не более 5000 м3/сут. Они представляет собой круглый или квадратный в плане резервуар с камерой хлопьеобразования водоворотного типа, расположенной в центре корпуса отстойника. Сам отстойник имеет конусное днище с углом наклона между стенками конуса 70-800 (рис. 7.4). Воду надлежит подавать в камеру хлопьеобразования через сопла, направленные по касательной. В нижней части камеры предусматривается гаситель скорости в виде решетки с ячейками размером 0,5 х 0,5 м, высотой 0,8 м. Площадь камеры хлопьеобразования водоворотного типа следует определять из расчета времени пребывания воды в ней в течение 15 - 20 мин и высоты камеры, принимаемой 3,5-4 м. Диаметр отстойника 5-10 м, глубина - до 7 м. При работе отстойника вода поступает в верхнюю часть камеры хлопьеобразования, проходит по ней вниз, а затем, изменив направление на движение воды на противоположное на выходе из камеры, поднимается вверх через зону осаждения отстойника. Скорость восходящего потока воды Vр должна составлять не более 0,6 мм/с, время отстаивания принимается обычно 2 часа. Накопившийся в конической части отстойника осадок периодически сбрасывают в канализацию. Суммарная расчетная площадь зоны осаждения всех рабочих отстойников определяется по формуле , (7.6) где q - расчетный расход станции очистки воды, м3/ч; Vр - расчетная скорость восходящего потока, мм/с, принимается не более указанных в табл. 18 1 величин скоростей выпадения взвеси; N - количество рабочих отстойников; об - коэффициент, учитывающий объемное использование отстойника, величина которого принимается 1,3-1,5 (нижний предел - при отношении диаметра к высоте отстойника равный 1, верхний - при отношении диаметра к высоте - 1,5). Число отстойников определяется по расчетной площади осаждения и площади осаждения одного отстойника. Площадь одного отстойника складывается из площадей зоны осаждения и камеры хлопьеобразования. При количестве отстойников менее шести рекомендуется предусматривать один резервный. Сбор осветленной воды в вертикальных отстойниках следует предусматривать периферийными и радиальными желобами с отверстиями или с треугольными вырезами. Сечения желобов следует рассчитывать на скорость движения воды 0,5-0,6 м/с. Рис. 7.4. Схема вертикального отстойника: 1 – корпус отстойника; 2 – камера хлопьеобразования; 3 – кольцевой водосборный лоток; 4 – подвод осветляемой воды; 5 – отвод осветленной воды; 7 - гаситель; 8– зона накопления осадка; 6– сброс осадка. Размеры приведены в мм. Неустойчивая работа отстойников в некоторые сезоны, а также значительные габариты сооружений подтолкнули к созданию и широкому распространению тонкослойных (полочных) отстойников. Они имеют ряд достоинств по сравнению с традиционными отстойниками: ускорение (в несколько раз) выпадения взвеси, благоприятный, близкий к ламинарному, режим движения потока, лучшие условия для гидравлического удаления осадка, компактность. Полочные отстойники используются в качестве самостоятельных сооружений, а также в виде модулей вставляются в различные отстойные сооружения. Подробно о полочных отстойниках и их расчете изложено в [7,8,14]. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие типы камер хлопьеобразования используются на станциях водоочистки перед отстойниками? 2. Как устроены КХО зашламленного типа? 3. Особенности водоворотной КХО ? 4. Устройство и принцип работы горизонтальных отстойников? 5. Принципы расчета горизонтальных отстойников? 6. Устройство вертикальных отстойников? 8. Осветлители со взвешенным осадком Первые отечественные конструкции установок по осветлению воды пропусканием ее через взвешенный осадок, состоящий из гидролизованного коагулянта и загрязнений, извлеченных из воды, получили название осветлители со взвешенным осадком и были предложены С.Х. Азерьером, Е.Н.Тетеркиным и Н.И.Колотовым. Практика эксплуатации показывает, что эффективность осветления и обесцвечивания воды в осветлителях со взвешенным осадком в 1,5-2,0 раза выше, чем в обычных отстойниках. Скорости восходящего потока воды в осветлителях принимают в пределах 0,5-1,2 мм/с в зависимости от содержания взвешенных веществ в очищаемой воде и периода года. Меньшие значения скоростей принимаются при низкой мутности воды и для зимнего периода года. Основными факторами, определяющими интенсивность формирования взвешенного слоя и концентрацию твердой фазы в нем, являются качество исходной воды, гидравлические условия восходящего потока, а также структура осадка взвешенного слоя. При мутности исходной воды до 1500 мг/л и цветности до 120 градусов осветлители обеспечивают снижение мутности до 15 мг/л и цветности до 30 градусов. Осветлители проектируются круглой или прямоугольной в плане формы. Диаметр круглых осветлителей не должен превышать 12-14 м. Площадь прямоугольного осветлителя не должна превышать 120-150 м2. Прямоугольные осветлители выполняются из трех коридоров (поэтому названы коридорными). Прямоугольная форма позволяет удобно размещать осветлители в здании водоочистной станции. Осветлители, как правило, работают без камер хлопьеобразования. Для нормальной, надежной работы осветлителей обязательными условиями являются организация своевременного отвода избыточного осадка, равномерного распределения воды по площади осветлителя и отведения осветленной воды. На рис. 8.1 приведена схема коридорного осветлителя со взвешенным осадком с вертикальным центральным осадкоуплотнителем. Исходная вода поступает снизу в два коридора осветления и проходит слой осадка, который поддерживается во взвешенном состоянии за счет равенства скорости восходящего потока гидравлической крупности загрязнений. Часть избыточного осадка перетекает через осадкоприемные окна в коридор осадкоуплотнения за счет отбора воды из верхней части осадкоуплотнителя при помощи затопленных дырчатых труб. Выше окон скорость восходящего потока оставшейся воды в коридорах осветления меньше гидравлической крупности загрязнений, поэтому в водосборные желоба попадает осветленная вода без примесей. В нижней части осадкоуплотнителя осадок накапливается, уплотняется и периодически сбрасывается в техническую канализацию. Параметры конструкции осветлителей и их расчет выполняют по СНиП 1. Высоту слоя взвешенного осадка следует принимать от 2 до 2,5 м. Низ осадкоприемных окон или кромку осадкоотводящих труб следует располагать на 1 - 1,5 м выше перехода наклонных стенок зоны взвешенного осадка осветлителя в вертикальные. Высоту зоны осветления надлежит принимать 2 - 2,5 м над окнами. Угол между наклонными стенками нижней части зоны взвешенного осадка следует принимать 60 - 70° а, нижней части осадкоуплотнителя - 70 0. Высота стенок осветлителей должна на 0,3-0,5 м превышать расчетный уровень воды в них (строительная высота). Распределение исходной коагулированной воды по площади осветления надлежит принимать дырчатыми трубами, укладываемыми на расстоянии не более 3 м друг от друга. Скорость движения воды при входе в распределительные трубы должна быть 0,5 - 0,6 м/с, для поддержания ее по длине осветлителя незначительно различающейся диаметр уменьшается от входа осветлителя (телескопическая труба). Скорость выхода из отверстий дырчатых труб - 1,5 - 2 м/с. Диаметр отверстий не менее 25 мм, расстояние между отверстиями не более 0,5 м, отверстия надлежит располагать вниз под углом 45° к вертикали по обе стороны трубы в шахматном порядке. Скорость движения воды с осадком в осадкоприемных окнах следует принимать 10 - 15 мм/с. Рис. 8.1. Конструкция осветлителя со взвешенным осадком коридорного типа: 1 – коридоры осветления; 2 – осадкоуплотнитель; 3 – слой взвешенного осадка; 4 – зона осветления; 5 – сборные желоба; 6 - осадкоприемные окна; 7 – трубы принудительного отвода осветленной воды; 8 – трубопровод распределения исходной воды в коридорах осветления; 9 – трубопровод сброса осадка; 10 -подача исходной воды в осветлитель Сбор осветленной воды в зоне осветления надлежит предусматривать желобами с треугольными водосливами высотой 40 - 60 мм при расстоянии между осями водосливов - 100 - 150 мм и угле между кромками водослива 60°. Расчетная скорость движения воды в желобах 0,5 - 0,6 м/с. Сбор осветленной воды из осадкоуплотнителя следует предусматривать затопленными дырчатыми трубами. Верх сборных дырчатых труб должен быть расположен не менее чем на 0,3 м ниже уровня воды в осветлителях и не менее чем на 1.5 м выше верха осадкоприемных окон. Диаметр труб для отвода осветленной воды следует определять исходя из скорости движения воды не более 0,5 м/с, скорости входа воды в отверстия труб не менее 1.5 м/с, диаметра отверстий 15 - 20 мм. Перепад отметок между низом сборной трубы и уровнем воды в общем сборном канале осветлителя следует принимать не менее 0,4 м. Удаление осадка из осадкоуплотнителя надлежит предусматривать периодически дырчатыми трубами, расстояние между которыми не более 3 м. Диаметр отверстий принимается не менее 20 мм, а расстояние между ними не более 0,5 м. Скорость движения воды с осадком в отверстия не должна быть более 3 м/с, а в трубах должна быть не менее 1 м/с. Пример 4. Расчет осветлителя со взвешенным осадком коридорного типа Исходные данные: расчетный расход воды станции очистки q = 833 м3/ч; мутность поступающей в осветлитель воды - 120 мг/л; цветность – 40 град.; доза коагулянта – сульфата алюминия принята 40 мг/л. Определяем суммарные площади коридоров осветления () и отделения осадка () по формулам: , м2 (8.1) , м2 (8.2) где – расчетный расход воды, q = 833 м3/ч; – коэффициент распределения воды между зоной осветления и зонной отделения осадка, принятый по [1, табл.20] равным 0,8; – скорость восходящего потока воды в зоне осветления, по [1, табл.20] принимаемая 0,8 мм/с; = 232 м 2, = 58 м 2. Общая площадь осветлителей, состоящих из двух боковых коридоров осветления воды и осадкоуплотнителя в каждом, определяется по формуле: , м2 (8.3) В итоге: Принимается 3 рабочих осветлителя Nраб и один резервный, площадь одного осветлителя будет равной Принимается стандартная ширина каждого коридора осветления = 3 м и определяется длина осветлителя по формуле: , (8.4) Находится ширину осадкоуплотнителя: , (8.5) где F отд – площадь отделения осадка одного осветлителя, l ос – длина осветлителя. Ширина осадкоуплотнителя равна: При конструировании осветлителей следует учитывать размеры строительных конструкций. Так, толщина внутренних перегородок осветлителя принимается не менее 0,2 -0,3 м, в примере принята 0,2 м. Общая ширина осветлителя, м, определяется по формуле: , (8.6) м. Полная высота осветлителя может быть ориентировочно найдена по формуле: , м, (8.7) где – высота зоны осветления, принимается равной 2 - 2,5 м (в примере принята 2,5 м); – высота слоя взвешенного осадка от места перехода наклонных стенок в вертикальные, которая составляет 1 – 1,5 м (принимается 1 м), ; – высота пирамидальной части осветлителя, которую определяют исходя из величины угла наклона между стенками коридора 60…70˚ – по формуле (8.8), – дополнительная высота осветлителя, предназначенная для возможного повышения уровня воды в период промывки одного фильтра, если число фильтров менее 6, определяется после расчета фильтров, ориентировочно равна 0,13 - 0,2 м. Высота пирамидальной части осветлителя находится по формуле , м, (8.8) где a = 0,3…0,5 м – ширина коридора понизу, принимается a = 0,3 м; – угол между наклонными стенками коридора осветления, принят равным 60˚. В результате высота пирамидальной части равна: Из формулы (8.7) полная высота осветлителя составит: Так как длина осветлителя больше 4,0 м, в коридорах должны быть приняты распределительные коллекторы телескопической формы с уменьшающимся диаметром, чтобы скорость движения воды по ходу движения не сильно различалась. Принимаем трубу, состоящую из трех участков длиной по 5,4 м. Первый по ходу воды участок рассчитывается на полный расход, поступающий в коридор осветлителя, второй – на 2/3, а последний – на 1/3 расхода. Расчет труб приведен в табл.8.1. Отверстия в коллекторе принимаются диаметром 25 мм и располагаются под углом 45˚ вниз в шахматном порядке. Скорость выхода воды из отверстий принята 1,5 м/с. Общее число отверстий в распределительном коллекторе равно 45, расстояние между ними – 0,28 м, что не превышает нормируемое - 0,5 м. Площадь осадкоотводящих окон с каждой стороны осадкоуплотнителя находится по формуле , ( 8.9) где - расход отводимого избыточного осадка, м3/с, определяемый по формуле , (8.10) = 10-15 мм/с - скорость движения осадка в окнах, принята 10 мм/с, т.е. 0,01 м/с. Таблица 8.1 Определение основных трубопроводов осветлителей Назначение Расход воды, л/с Рекомендуемая скорость, м/с Расчетные значения Формула Значение Диаметр, мм Скорость, м/с Подача воды на все осветлители q/3,6 231,4 0,6 700 0,59 Подача воды на один осветлитель; отвод осветленной воды на фильтры qосв=q/ Nраб 231,4/3 =77,1 0,6 400 0,58 Водораспределительный коллектор: Начальный участок Средний участок Конечный участок qосв/ 2 qосв/3 qосв/6 77,1/2= 33,5 77,1/3=22,4 77,1/6 11,2 0,5 - 0,6 275 225 150 0,56 0,57 0,5 Отвод осветленной воды из осадкоуплотнителя qосв(1-Кр.в.) 77,1(1-0,8) = 15,4 0,5 200 0,5 Сброс осадка из осветлителя Wосад/t 3,6 19,7/0,3∙ 3,6 = 18,2 1,0 (диаметр не менее 150 мм) 150 1,08 Общая длина окон, м, с каждой стороны осадкоуплотнителя при высоте окна м (принята высота 0,2 м) определяется по формуле . (8.11) Принимая ширину окон 0,4 м (берется в пределах 0,4 – 0,6 м) находим их количество с каждой стороны осадкоуплотнителя. В примере принято 10 окон. Окна располагаются выше слоя взвешенного осадка. Требуемый объем зоны накопления и уплотнения осадка, м3, определяется по формуле , (8.12) где - содержание взвешенных веществ, поступающих с водой в осветлитель, мг/л, которое вычисляется по формуле (8.13), где - мутность исходной воды; - коэффициент, учитывающий количество взвеси, поступающее вместе с коагулянтом, принимается 0,5 для сульфата алюминия и 0,7 – для хлорного железа; - доза коагулянта, мг/л; Ц – цветность воды, град.; - количество взвеси, поступающей вместе с известью: , (8.14) где - доза извести, если она применена; =0,4 – долевое содержание СаО в извести; - мутность воды после осветлителя, мг/л, принимается в пределах 10-12 мг/л, в примере – 12 мг/л. - время уплотнения осадка, принимается не менее 6 ч при отсутствии сгустителя; - средняя концентрация осадка в уплотнителе, принимаемая по [1]. В примере принята =20000 мг/л. Фактический объем зоны уплотнения осадка, м3, располагается в нижней части осадкоуплотнения – на 0,5 м ниже окон, и может быть найден как сумма трапецеидальной и прямоугольной призм по формуле , (8.15) где - ширина днища осадкоуплотнителя, принимается на 0,1 м больше диаметра трубы сброса осадка, в примере принята 0,3 м; α – угол наклона стенок пирамидальной части уплотнителя к вертикали, в примере – 350. Время фактического нахождения осадка находится по формуле (8.16) Для удаление осадка из осадкоуплотнителя без остановки работы сооружения принята дырчатая труба с диаметром отверстий 20 мм, размещенными с шагом не более 0,4 м. Скорость входа в отверстия принимается не более 2 м/с, а в конце трубопровода –1 м/с. Расход воды с осадком через трубу, м3/ч, составит , (8.17) где - время сброса осадка, (не более 0,4-0,3 ч), принято 0,3 ч. Суммарная площадь отверстий при скорости входа в них 2 м/с составляет 0,009 м2. При площади одного отверстия 0,0003 м2, их количество в трубе составит 30 шт. При длине трубы 12,8 м расстояние между отверстиями будет 0,4 м, что соответствует рекомендациям. При скорости воды в трубопроводе 1 м/с принят диаметр 150 мм. Трубопровод сбора осветленной воды в осадкоуплотнителе осуществляем двумя дырчатыми трубами, заглубленными от верха на 0,3 м. Скорость входа в отверстия диаметром 15 мм принята 1,5 м/с. Скорость движения воды в трубах принята 0,5 м/с. Расход воды через каждую трубу находится по формуле (8.10). Суммарная площадь отверстий при скорости входа в них 1,5 м/с составляет 0,005 м2. При площади одного отверстия 0,00018 м2, их количество в трубе составит 28 шт. При длине трубы 12,8 м расстояние между отверстиями будет 0,42 м. Диаметр трубопроводов принят 150 мм. Одним из недостатков осветлителей является неустойчивая работа при малой мутности воды, что нашло отражение в ограничении области применения сооружений (по СНиП [1] мутность должна быть не менее 50 мг/л). Причина этого – недостаточная концентрация твердой фазы в поступающей воде, из-за чего образуются мелкие, легкие хлопья в слое взвешенного осадка. Сам слой осадка становится неустойчивым, легко выносимым в водосборные желоба. Регулирование перераспределением воды по коридорам осветления и осадкоуплотнения при помощи задвижек на трубах принудительного отбора воды в осадкоуплотнителе часто не приносит ожидаемого эффекта. М.Г. Новиков [15] разработал осветлитель со взвешенным слоем рециркулируемого осадка, который заметно снижает их зависимость от малой мутности воды. Основная идея разработки заключается в том, что слой взвешенного осадка формируется не самопроизвольно, т.е. под влиянием количества взвешенных частиц в воде, а за счет многократной циркуляции сформировавшихся хлопьев увеличивает свою концентрацию в 6-10 раз. Рециркуляция осуществляется благодаря эжекторной системе, помещенной в коридорах осветления в зоне поступления исходной воды. На рис.8.2. показана конструкция осветлителя коридорного типа с рециркуляторами осадка. Исходная коагулированная вода поступает через сопла, размещенные на распределительных трубопроводах 10 в расширенную часть трубчатого смесителя 4 создавая эффект эжекции. В эжектор из нижней части осветлителя подсасывается вода с ранее сформировавшимися хлопьями осадка, которая смешивается с вновь поступившей. Пройдя смеситель, где происходит контактная коагуляция и укрупнение хлопьев осадка, вода через направляющий аппарат 5 возвращается в нижнюю часть осветлителя. Часть воды с осадком вновь эжектируется в смеситель, другая часть – поднимается вверх коридора, формируя взвешенный слой осадка. В остальном работа такого осветлителя не отличается от традиционных. Для реализации эффекта эжекции в коридорных осветлителях производятся конструктивные доработки – разбивка коридоров осветления на рабочие зоны, установка самих рециркуляторов. Рабочие технологические параметры осветлителей с рециркуляторами несколько отличаются от традиционных в сторону увеличения, что позволяет повысить их производительность иногда в 1,5 – 2 раза. Хотя автор осторожно ограничивает максимальную мутность исходной воды в 400 мг/л, большинство поверхностных источников России имеет меньшую мутность. Рециркуляция осадка может осуществляться и в осветлителях других конструкций [2, 7]. Рис. 8.2. Конструкция осветлителя-рециркулятора: 1 – коридор осветления воды; 2 – осадкоуплотнитель; 3 – перегородка; 4 – смеситель; 5 – направляющий аппарат; 6 – водосборные желоба; 7 – трубы для принудительного отбора осветленной воды из осадкоуплотнителя; 8 – водосборный лоток (карман); 9 – трубы для отвода осадка; 10 - водораспределительный трубопровод с соплами Расчет и конструирование осветлителей коридорного типа со взвешенным слоем рециркулируемого осадка 1. Определяется суммарная площадь коридоров осветления по формуле 8.1, и коридоров осадкоуплотнения по формуле 8.2, при этом скорость восходящего потока и коэффициент распределения воды по коридорам принимается по рекомендациям табл. 8.2. Таблица 8.2 Содержание взвешенных веществ в воде, поступающей в осветлитель, мг/л Скорость восходящего потока воды в зоне осветления , Vосв, мм/с Коэффициент распределения воды, К р.в. В зимний период В летний период До 20 0,6 – 0,8 1 – 1,1 0,7 – 0,65 20 - 100 0,8 – 1,0 1,1 – 1,2 0,7 – 0,65 100 - 400 1 – 1,1 1,2 – 1,25 0,65 – 0,6 2. По формуле 8.3. высчитывается суммарная площадь всех осветлителей, затем назначается число осветлителей и определяется площади коридоров одного осветлителя. 3. Принимается ширина коридоров осветления в пределах 3 – 3,5 м и по формулам 8.4 и 8.5 рассчитывается длина осветлителя и ширина осадкоуплотнителя. При одноступенчатых схемах очистки воды фильтрованием (осветлении на фильтрах в одну ступень или КО, обезжелезивании) применяют вторую схему оборота промывных вод с отстаиванием в отстойниках периодического действия. Осветленная в течение определенного времени вода равномерно перекачивается в голову сооружений, а осадок направляется на обработку. Для равномерного распределения воды по площади зоны осветления коридоры осветления разбиваются на секции, примерно квадратной формы в плане (длина секции не должна более, чем на 30% превышать ширину). Секции разделяются перегородками на всю высоту осветлителя. Количество секций не должно быть более трех. Нижние части секций следует выполнять в виде перевернутой пирамиды.Угол между противоположными ребрами пирамиды следует принимать в пределах 60 – 800. 4. Исходная вода подается по распределительному трубопроводу, проложенному по дну секций. Скорость воды в трубопроводе принимается 0,5 – 0,6 м/с. В центре каждой секции, как показано на рис. 8.3., на трубе 1 устанавливается патрубок 2 с соплом 3. Скорость движения по патрубку – 1,3 – 1,5 м/с, скорость выхода из сопла – 2 – 2,3 м/с. Общая высота патрубка с соплом принимается 0,25 – 0,4 м. 5. В каждой секции строго соосно патрубку устанавливается смеситель и направляющий аппарат. Смеситель состоит из конфузора снизу 4, цилиндрической части 5 и диффузора сверху 6, Диаметр цилиндрической части смесителя, мм, вычисляется по формуле , (8.18) где - диаметр патрубка на распределительном трубопроводе, мм. Длина цилиндрической части смесителя принимается в пределах 1,4 – 1,7 м. Диаметр нижней, расширенной части конфузора смесителя, мм, определяется по формуле (8.19) Длина конфузора принимается равной 0,15 – 0,2 м а расстояние от нижней кромки конфузора до верха сопла на патрубке должна составлять 0,18 – 0,22 м. Длина диффузора при угле раствора 12 – 150 должна быть не менее 1,6 – 1,8 м. Верхняя кромка диффузора должна быть выше уровня воды на 0,5 – 0,6 м. Направляющий аппарат выполняется в виде цилиндра, верхняя кромка которого должна быть выше уровня воды в секции на 0,3 – 0,35 м. Скорость движения воды в пространстве между аппаратом и цилиндрической частью смесителя принимается не более 0,05 м/с. 6. Высота слоя взвешенного осадка (от низа направляющего аппарата до нижней кромки осадкоприемных окон) принимается от 1,8 до 2,2 м. Низ осадкоприемных окон располагается на расстоянии 1 – 1,5 м выше примыкания вертикальных стенок к пирамидальной нижней части секции. Высота слоя воды выше окон до верхнего уровня воды в секции принимается 1,5 – 1,7 м. 7. При расчете водоприемных окон скорость движения в них воды с осадком принимается 10 – 12 мм/с. Размеры окон, а также трубопроводы отвода воды из осадкоуплотнителя, отвода осадка из осадкоуплотнителя и водосборные желоба в коридорах осветления рассчитываются по вышеизложенным правилам как для обычных осветлителей. 8. Потери напора в слое взвешенного осадка следует принимать 2-3 см на каждый метр высоты слоя. Потеря напора в эжекционной системе принимается равной 0,15 – 0,2 м. По потерям напора составляется высотная схема уровней воды в осветлителе. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Опишите технологию очистки воды в осветлителях со взвешенным слоем? 2. Особенности устройства коридорных осветлителей? 3. Какие основные принципы расчета осветлителей? 4. Перечислите особенности работы осветлителей - рециркуляторов? 5. Как устроены рециркуляторы? 9. ОЧИСТКА ВОДЫ ФИЛЬТРОВАНИЕМ 9.1 Краткие сведения из теории очистки воды фильтрованием Фильтрование применяется для частичной или глубокой очистки воды от дестабилизированных коллоидов и дисперсных загрязнений первой группы по классификации Л.А. Кульского [1]. Фильтрованием называется процесс отделения от воды твердого вещества, находящегося с ней в смеси, при прохождении через пористую среду (пористую перегородку или пористую загрузку). Фильтрование через перегородку наблюдается при безреагентной очистке воды в медленных, каркасных (намывных, патронных), тканевых, мембранных фильтрах, фильтр-прессах. Фильтрование через пористую зернистую загрузку (объемное фильтрование) – основной вид фильтрационной очистки воды и осуществляется в разнообразных скорых фильтрах и контактных осветлителях. Именно этому виду фильтрования посвящено настоящее пособие. Очистка воды фильтрованием может быть как самостоятельным способом осветления воды, так и завершающим ее этапом - доочисткой. В одноступенчатых схемах очистки воды содержание твердой фазы в исходной воде ограничивается для обеспечения высокого качества воды очищенной. Доочистка воды фильтрованием обычно является финишной ступенью при двух и многоступенчатой реагентной технологической схеме очистки. При реагентном способе очистки воды используется принцип скорого фильтрования с задержанием взвеси всей толщей фильтрующей загрузки. Согласно современным представлениям очистка воды объемным фильтрованием является физико-химическим процессом, основанным на прикреплении дестабилизированных (скоагулированных) загрязнений, находящихся в воде, к зернам фильтрующей загрузки под действием сил адгезии (прилипания) и сил электростатического взаимодействия. В качестве фильтрующей загрузки используются природные или специально изготовленные тяжелые и легкие зернистые материалы: песок, антрацит, керамзит, гранодиорит, горелые породы, туфы, шлаки, полистирол, капрон и т. п. Основной механизм задержания загрязнений зернистым фильтром – контактная коагуляция, хотя одновременно может происходить процеживание и осаждение. При движении воды, содержащей хлопьевидные загрязнения, через проточные поры зернистой загрузки фильтровального сооружения взвесь накапливается в виде сжимаемой гелеобразной массы, образуя коллоидную структуру и заполняя межзерновое поровое пространство. Скорость движения струй воды в оставшихся свободными поровых каналах увеличивается, вызывая значительный рост гидравлического сопротивления, пропорциональный количеству извлеченных из воды примесей. Осадок, накапливающийся в загрузке, имеет непрочную структуру. При воздействии гидродинамических сил потока фильтруемой воды эта структура разрушается, некоторая часть ранее прилипших частиц загрязнений отрывается от поверхности зерен фильтрующего материала в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои фильтрующей загрузки, где вновь под действием сил адгезии и электростатического взаимодействия закрепляется, образуя в свободном объеме межзерновых пор вторичную, менее прочную коллоидную структуру. При повторном извлечении из воды ранее оторвавшихся частиц загрязнений сила их взаимодействия с поверхностью зерен значительно меньше, чем при их первичном прилипании к зернам фильтрующей загрузки. По этой причине последующие по ходу движения потока слои задерживают меньшую массу загрязнений. Таким образом, очистку воды в зернистой загрузке следует рассматривать как суммарный результат процесса прилипания загрязнений, их отрыва, переноса в следующие по ходу движения воды слои загрузки и повторного закрепления на поверхности зерен фильтрующего материала (Д.М, Минц [2]). Интенсивность прилипания загрязнений к зернам загрузки зависит от реагентной обработки воды, структурных и адсорбционных свойств фильтрующего материала, а также размера зерен загрузки и скорости фильтрования. Осветление воды в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность отрыва их в этом слое. Задержание загрязнений в фильтрующей загрузке прекращается, когда наступает равенство сил прилипания и отрыва. В момент достижения загрязнений последнего по ходу движения воды слоя начинается проскок взвешенных веществ в фильтрованную воду. Время, в течение которого фильтрованная вода отвечает требованиям потребителя по ее качеству, например по мутности Спред, называется временем защитного действия фильтра Тз. По мере загрязнения фильтрующей загрузки растут потери напора, наблюдаемые обычно по росту уровня воды в открытом, безнапорном фильтре. Время наполнения фильтра до максимально допустимого уровня воды Нпред называют временем достижения предельных потерь напора Тн. В напорных фильтрах Тн определяется по устанавленному предельному падению давления. Продолжительность защитного действия фильтра зависит от концентрации загрязнений в исходной воде, размера зерен загрузки и ее адсорбционных свойств, скорости фильтрования и толщины фильтрующего слоя. Эти же факторы влияют на время достижения предельных потерь напора. Процесс осветления воды в фильтрующей загрузке в период фильтрования при одновременном росте потерь напора проиллюстрирован на рис. 1.1. При достижении времени Тз или Тн фильтр необходимо отключить на регенерацию. Восстановление фильтрационных свойств фильтрующей загрузки достигается водяной или водовоздушной промывкой. Вымыв накопившихся на зернах загрузки или в поровом пространстве загрязнений производится при превдоожижении фильтрующего слоя восходящим потоком воды или воды совместно с воздухом. Продолжительность фильтрования между промывками (длительность фильтроцикла) должна быть удобной для эксплуатации - не менее 8-12 ч – и одновременно такой, чтобы качество фильтрата всегда оставалась высоким. Это достигается при Тз > Тн. Для экономической оптимизации работы фильтров желательно, чтобы Тз превышало Тн незначительно, на 10-30 %. Более подробно теория фильтрования изложена в [2,3]. Фильтрование осуществляется в направлении как сверху – вниз, характерном для большинства фильтровальных сооружений, так и снизу – вверх – реализованном в контактных осветлителях. Скорость фильтрационного потока при объемном фильтровании должна превышать минимально необходимую (обычно 4-5 м/ч) для предотвращения пленочного фильтрования. При большой скорости фильтрования могут возникнуть значительные отрывные силы, которые приведут к плохой задерживающей способности фильтра и ухудшению качества фильтрата. Обычно в скорых фильтрах скорость фильтрования находится в пределах 5-15 м/ч. Для усиления адгезионной способности поверхности инертных материалов используют их активацию обработкой солями некоторых металлов – модифицируют. Примерами таких фильтрующих загрузок являются модифицированные алюмосиликаты (МАС) (Е.Г. Петров). Модификация уменьшает энергетический барьер (дзета-потенциал) или даже изменяет знак заряда поверхности зерен загрузки, что позволяет осветлять воду без коагулирования или при незначительных дозах реагентов. Наряду с осветлением, фильтрование используется в других технологиях обработки воды, например при обезжелезивании. Обезжелезивание подземных вод методом упрощенной аэрации и фильтрования чаще всего используется в безнапорном варианте. Метод основан на способности воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании через зернистый слой выделять железо на поверхности зерен в виде каталитической пленки, состоящей из оксида трехвалентного железа FeO3. Каталитическая пленка способствует образованию гелеобразного Fe(OН)3. Эта пленка образуется в течение трех–пяти суток, считая от начала фильтрования после запуска фильтра в работу [4]. Данный интервал называется периодом зарядки загрузки. После завершения зарядки сформировавшаяся каталитическая пленка интенсифицирует процесс окисления железа в присутствии кислорода воздуха и выделения его из воды в виде гидроксида железа, который образует в слое фильтрующей загрузки (в межзерновом поровом пространстве) гелеобразную коллоидную структуру. По мере накопления осадка в загрузке и увеличения проскока железа в фильтрате фильтр останавливается и промывается обратным током воды. На станциях обезжелезивания малой производительности используются напорные фильтры. Аэрация воды в этом случае осуществляется от компрессора. Воздух под напором вводится в смеситель, располагаемый перед фильтрами. Напорная аэрация гораздо эффективнее, чем аэрация при свободным изливе воды, поскольку растворимость сжатого воздуха в 2-3 раза выше. Благодаря этому обезжелезивание при помощи напорных фильтров надежнее обеспечивает высокое качество фильтрата. При использовании метода упрощенной аэрации и фильтрования в процессе обезжелезивания образуется рыхлый осадок, объемы которого значительны. Осадок имеет влажность до 99% (сильно гидротирован) и плохо обезвоживается. Кроме того, при этом методе требуется промывка фильтров 1–2 раза в сутки. Устранить эти недостатки можно, использовав технологию "сухого" фильтрования железосодержащих подземных вод. Метод заключается в фильтровании подземной воды с большим избытком воздуха через зернистый материал, но без образования слоя воды над загрузкой. Вода стекает в загрузку в виде пленки по поверхности зерен, а объем межзернового порового пространства заполнен воздухом. В этом случае фактическая скорость движения воды через зернистый слой в несколько раз превышает расчетную (скорость достигает 50 м/ч). При этом значительно ускоряется поступление железа из воды к поверхности зерна с образованием каталитической пленки из оксидов железа, толщина пленки в ходе процесса увеличивается. Существенно изменяются характер и форма выделения железа из воды. Осадок, имеющий кремневидную структуру, очень плотный и надежно прикрепляется к поверхности зерен загрузки. Грязеемкость загрузки увеличивается в 20…25 раз. Во много раз увеличивается продолжительность фильтроцикла, которая составляет от 8 до 12 месяцев. Как правило, загрузку после насыщения железом не промывают, а заменяют на новую. Если фильтрующая загрузка ввиду ее дефицитности подвергается регенерации путем обработки ингибированной кислотой в течение 1 часа. Обезжелезивание воды методом "сухого" фильтрования осуществляется чаще всего с использованием напорного фильтра. В качестве фильтрующего материала можно использовать инертные фильтрующие материалы (песок, керамзит, горелые породы, шлаки) и активные, например, магнетитовые кварциты. Использование активного фильтрующего материала позволяет расширить границы применимости "сухого" фильтрования при обеспечении стандартного качества очищаемой воды. Если при прохождении через инертную фильтрующую загрузку максимальная концентрация железа в исходной воде не должна превышать 6-10 мг/л, то при фильтровании через загрузку из активного фильтрующего материала концентрация железа в воде может составлять до 20 мг/л, причем железо может быть в составе органоминерального комплекса. В отличие от рассмотренного выше осветления воды объемным фильтрованием с большими скоростями в медленных фильтрах действует механизм процеживания. Процеживание заключается в пропуске воды через слой осадка, лежащего на поверхности водопроницаемых перегородок различных конструкций [5]. Процеживание позволяет задерживать как крупные примеси размерами в несколько миллиметров и более, так и частицы с дисперсностью 103…104. Особенно эффективно процеживание при удалении частиц с плотностью, близкой к плотности воды. Очистка процеживанием обусловлена образованием на поверхности перегородки слоя осадка, который выполняет роль основного задерживающего барьера. Процесс формирования слоя осадка зависит от крупности частиц загрязнений и от скорости процеживания. Как следует из рис. 1.1, на поверхности перегородки в местах, расположенных между отверстиями, образуются застойные зоны, в которых накапливаются частицы загрязнений. Затем частицы начинают подсасываться к отверстиям, туда, где в результате повышения скорости воды понижается давление. Постепенно над отверстиями формируются грязевые «сводики». На рис. 1.1, а показан момент накопления осадка в застойных зонах, а на рис. 1.1, б – сводики, перекрывающие входы в поровые каналы зернистой загрузки медленных фильтров. Процеживание требует преодоления гидравлических сопротивлений, создаваемых перегородкой и слоем осадка. Основные параметры процесса процеживания – объем очищаемой воды, продолжительность процеживания, разность давлений по обе стороны перегородки. Следует учитывать, что в ходе процеживания толщина слоя осадка и создаваемое этим слоем гидравлическое сопротивление возрастают. Увеличение сопротивлений слоя зависит от физических свойств осадка. Различают несжимаемые и сжимаемые осадки. Несжимаемыми считаются те из них, которые сохраняют во время процеживания постоянную пористость (диатомит, перлит и другие). Сжимаемые осадки под действием возрастающего давления деформируются, и их пористость уменьшается. К таким осадкам можно отнести гидроксиды металлов, осадки городских сточных вод и т.д. Глубокая очистка воды от ГДП, обеспечивающая удаление примесей до дисперсности 104 -105 , достигается только в том случае, когда процеживатель включает слой осадка. Примером такого процеживателя является медленный фильтр, использовавшийся для очистки питьевой воды до 80-90 гг 20 века. В настоящее время медленные фильтры применяются при специальных обоснованиях на водопроводных станциях малой производительности. Они представляют собой резервуары с мелкозернистой загрузкой крупностью 0,3-1,0 мм, слоем 0,5 м; скорость фильтрования принимается 0,1 и временно – не более 0,2 м/час. На очистку подается не коагулированная вода мутностью не более 25-50 мг/л и с невысокой цветностью. Слой воды над поверхностью загрузки должен приниматься 1,5 м. В зависимости от мутности исходной воды в течение нескольких суток (чаще всего – до 2 суток) на поверхности загрузки образуется слой осадка, обеспечивающий требуемую степень очистки от ГДП. За счет сорбции в этом слое может наблюдаться некоторое понижение цветности воды. По принятым исходным условиям осадок формируется на поверхности загрузки и практически не проникает вглубь фильтрующего слоя. По мере накопления осадка и увеличения его толщины растут потери напора и, если производительность фильтра не меняется, увеличивается толщина слоя воды над загрузкой. Фильтр переводится на регенерацию, когда уровень воды достигает принятого при проектировании максимума, либо тогда, когда регулирующая задвижка на линии отведения фильтрата и поддерживающая постоянный уровень воды в фильтре, открывается полностью. Продолжительность межрегенерационного периода составляет несколько недель. Профессор В.А. Клячко установил [3], что продолжительность работы фильтра между регенерациями зависит от эксперементального коэффициента, учитывающего крупность загрузки, концентрацию ГДП в исходной воде, свойства осадка по образованию пленки, его сжимаемость, и обратно пропорциональна скорости фильтрования во второй степени. Для удаления из воды растворенных загрязнений инертные фильтрующие загрузки малопригодны, поэтому используют сорбенты. Адсорбция (от лат. – поглощение) – процесс накопления на поверхности и особенно во внутренних порах сорбента растворимых примесей за счет диффузии до момента равновесного состояния. Основное требование к сорбентам – большая контактирующая поверхность, чему в наилучшей степени удовлетворяют высокопористые гидрофобные материалы - неполярные активированные угли и полярные гидрофильные природные сорбенты – кремнеземы, силикаты. Контрольные вопросы 1. В чем заключается отличительная особенность объемного фильтрования? 2. Что характеризуют время защитного действия фильтра и время достижения предельных потерь напора? 3. В чем сущность метода обезжелезивания упрощенной аэрацией и фильтрованием? 4. В чем принципиальная особенность метода «сухого фильтрования»? 5. Как образуется слой осадка на поверхности фильтрующей перегородки в процессе процеживания? 6. В чем заключается физический смысл удельного объемного сопротивления осадка? 7. По каким соображениям ограничивается скорость фильтрования для медленных фильтров? 8. Почему при создании подслоя для процеживателей применяются малосжимаемые материалы? 9. Для очистки воды от каких загрязнений используются сорбенты 9.2 Классификация фильтровальных сооружений с зернистой загрузкой Фильтровальные сооружения с зернистой загрузкой классифицируются по нескольким признакам: 1 - по направлению движения фильтруемой воды в период работы фильтра в режиме очистки: фильтры с нисходящим фильтрованием (традиционное направление движения воды в фильтрах), восходящим фильтрованием (реализовано в контактных осветлителях), двухпоточным движением (фильтры АКХ, ДДФ), многопоточные с комбинированным направлением движения, с радиальным и горизонтальным движением. 2 – по количеству слоев загрузки: однослойные, двухслойные, многослойные. Многослойные фильтры созданы для увеличения грязеемкости за счет фильтрования в направлении убывающей крупности зерен при обычном направлении фильтрации сверху вниз. Это достигается размещением в верхних слоях загрузки более крупных зерен, чем в нижележащих. Такое возможно при использовании фильтрующих материалов с разной плотностью. Например, верхний, крупнозернистый слой, выполняется из легких материалов - керамзита, антрацита, туфов, а нижний, мелкозернистый слой - из более тяжелых материалов: песка, гранодиорита, горелых пород. При создании такой загрузки следует обеспечить несмешиваемость материалов на границе их раздела. 3 – по крупности зерен фильтрующего материала (оценивается по эквивалентному диаметру зерен): мелкозернистые (0,2 – 0,5 мм), среднезернистые (0,5 - 0,8 мм), крупнозернистые (0,8 – 1,8 мм); 4 – по скорости фильтрования: медленные (0,1 … 0,3 м/ч), скорые (5 … 12 м/ч), сверхскорые (36 – 100 м/ч); 5 – по давлению, под которым работают: гравитационные (открытые) и напорные. В гравитационных фильтровальных сооружениях скорость фильтрования обеспечивается слоем воды над загрузкой. Напорные фильтры за счет высокого давления на загрузку могут иметь продолжительный фильтроцикл, однако они небольшие по размеру и при значительной производительности станции водоподготовки требуют большого числа корпусов, значительных размеров помещений. СНиП [6] рекомендует напорные фильтры при суточной производительности станции водоочистки до 5 тыс м3. 6 – по виду фильтрующего материала зерен загрузки: с тяжелым (плотность материала зерен больше плотности воды) - песчаные, антрацитовые, керамзитовые, гранодиоритовые, из горелых пород, из туфов и т.п.; с плавающим – полистирол, шунгизит, пенопласт, стеклопор, шлак и т.д. 7 – по способам регенерации: с водовоздушной промывкой, с водяной промывкой. 8 - по способу подачи воды на промывку: с промывкой от специального насоса, с подачей воды от промывного бака (башни). 9 – по конструкции водораспределительных и дренажных систем для подачи воды на очистку, сбора осветленной воды и промывку фильтрующей загрузки: большого сопротивления (трубчатые дырчатые, из щелеванных труб, колпачковые, из полимербетона), малого сопротивления (с поддонным пространством). 10 – по конструкции системы отводы промывных вод: с желобами и низким горизонтальным отводом через водослив. Кроме перечисленных признаков фильтровальные сооружения различаются формой, материалом корпуса и некоторыми другими особенностями. 9.3 Фильтрующие материалы для очистки воды 9.3.1 Инертные зернистые фильтрующие материалы Фильтрующая зернистая загрузка является основным рабочим элементом большинства фильтровальных сооружений и во многом определяет эффективность их работы. Правильный выбор фильтрующей загрузки имеет первостепенное значение для нормальной работы фильтра [7]. В фильтровальных сооружения используются тяжелые (тонущие в воде) и плавающие загрузки. Они могут быть природного происхождения (пески, антрацит, горелые породы, гранодиорит, вулканические шлаки и туфы), а также искусственно приготовленные (керамзит, шунгизит, аглопорит, пенополистерол). По поверхностной активности различают инертные материалы и сорбенты. Для осветления воды с применением реагентов обычно используют инертные материалы. Сорбенты используют при безреагентной очистке и доочистке воды. При выборе загрузки наряду с экономическими критериями, определяемыми стоимостью поставки материала на фильтровальную станцию, учитывают структурные, физико-механические свойства материала, механическую прочность, химическую стойкость в различных средах, санитарно-гигиеническую безопасность. Перечисленные требования сформулированы в ГОСТ Р51641-2000 «Материалы фильтрующие зернистые» [8]. Кроме того, большое значение имеет надлежащий гранулометрический состав фракции. Фракционный состав фильтрующей загрузки и степень однородности размеров ее зерен в значительной степени влияют на правильную работу фильтра и может даже вывести его из строя. Так, применение фильтрующего материала более крупного, чем это требуется по проекту, приводит к снижению качества профильтрованной воды. Более мелкий фильтрующий материал уменьшает межпромывочный период работы фильтра. Использование очень неоднородного материала ухудшает условия его промывки, поскольку при промывке неоднородной загрузки в восходящем потоке мелкие зерна начинают взвешиваться раньше, чем придет в движение основная масса материала. Чтобы исключить вынос мелких зерен из фильтра приходится снижать интенсивность промывки, а это приводит к недостаточной отмывке всего фильтрующего слоя. В результате происходит прогрессирующее накопление остаточный загрязнений, нарушающее нормальную работу фильтра. Кроме того, неоднородная загрузка ухудшает условия фильтрования. Вследствие гидравлической сортировки загрузки при промывке в верхней части фильтрующего слоя концентрируются зерна малого размера. Малые размеры пор мелкозернистого слоя затрудняют проникновение взвеси вглубь загрузки. Этот слой быстро заиливается и создает значительные гидравлические сопротивления. Межпромывочный период (фильтроцикл) резко сокращается, при том, что значительная часть фильтрующего слоя в задержании загрязнений практически не участвует. Для выбора, оценки и расчета фильтрующей загрузки определяются ее структурные показатели, физико-механические свойства: плотность, межзерновую пористость. Структурные показатели загрузки определяют ее технологические свойства – скорость фильтрования, грязеемкость, продолжительность фильтроцикла. Предпочтение следует отдавать материалам, имеющим развитую удельную поверхность зерен (суммарную поверхность зерен в единице объема загрузки), , определяемую для зерен любой формы по формуле , (3.1) где - коэффициент формы зерен; - пористость загрузки; - диаметр шарообразных частиц, эквивалентных по объему зернам загрузки. Для осветления воды важнейшим показателем является межзерновая пористость загрузки, поскольку она влияет на грязеемкость слоя. Наибольшей пористостью обладают фильтрующие загрузки с изломанной формой зерен, получаемые дроблением плотного или пористого кускового материала. Для такие материалов, высокая пористость хотя и снижает удельную поверхность по формуле …, однако большой коэффициент формы зерен делает суммарную поверхность зерен заметно большей, чем для малопористого зернистого слоя из окатанных, близких к шару частиц речного песка. Плотность материала влияет на условия промывки фильтров. При очистке воды фильтрованием с использованием реагентной обработки минимально необходимая интенсивность промывки должна составлять не менее 12-14 л с/м2. Для двух – и многослойных фильтров требуются материалы с разной плотностью, чтобы при промывке не происходило перемешивание слоев. Для контактных осветлителей плотность должна быть значительной (более 2,5 г/см3), чтобы при восходящем фильтровании не происходило ожижение загрузки. Для материалов с внутренними пустотами, например, керамзита, туфа, плотность определяется в водонасыщенном состоянии после замачивания в течение 1-4 суток или кипячения. Гранулометрический состав фильтрующей загрузки определяется ситовым анализом на калиброванных ситах по правилам [ ]. Через стандартный набор калиброванных сит на приборе для определения гранулометрического состава или вручную просеивают стандартную навеску исследуемого фильтрующего материала (не менее 2 кг). Оставшиеся на ситах зерна взвешивают и по результатам строят график ситового анализа, как показано на рис…. По графику определяются следующие показатели: 1) эквивалентный диаметр зерен, мм , (3.2) где - процентное массовое содержание фракции со средним диаметром зерен , который находится как полусумма калибров смежных сит; 2) коэффициент неоднородности загрузки , (3.3) где - диаметры зерен загрузки, мм, прошедших через сита в количестве 80% и 10% соответственно; Рис.9.3. График ситового анализа фильтрующего материала: 1 – исходного сырья; 2 – отсеянной фракции 0,5 – 1,2 мм. По графику ситового анализа можно оценить качество исходного материала для приготовления загрузки, а также получить расчетные характеристики подготовленной для фильтров фракции. На рис. линия 1 показывает гранулометрическую характеристику исходного материала. Допустим, мы хотим загрузить в фильтры согласно СНиП [6] фракцию 0,5 – 1,2 мм. В исходном материале содержится около 80% полезного продукта. Коэффициент неоднородности исходного материала составляет 2,1, а эквивалентный диаметр зерен – 0,62 мм. Такой материал не может быть использован для загрузки фильтров без дополнительного рассева через сита 0,5 – 1,2 мм. Полученная после рассева фракция (линия 2) характеризуется коэффициентом неоднородности 1,6 и эквивалентным диаметром зерен 0,74 мм, что соответствует нормативам. С момента появления в 1884 г. первого скорого фильтра (автор А. Хайят, США) этот тип фильтровального сооружения является основным в мировой водопроводной практике. Длительное время в качестве фильтрующей загрузки использовался только речной песок, поэтому фильтры назывались песчаными. После того, как современная теория фильтрования через зернистые загрузки установила, что этот процесс не механическое процеживание, как считалось ранее, а сложный физико-химический, представления о роли фильтрующей загрузки заметно изменились. Было доказано, что наилучший фильтрующий слой должен состоять из зерен с развитой поверхностью, создающих высокую пористость загрузки. В России и за рубежом появилось множество фильтрующих материалов, отвечающих этим качествам. Наряду с природными материалами стали использоваться искусственно приготовленные, с заранее обусловленными свойствами. В табл.3.1 приведены свойства наиболее распространенных фильтрующих материалов, применяющихся в отечественной практике водоочистки. Большинство перечисленных фильтрующих материалов имеют высокую межзерновую пористость за счет изломанной формы зерен природного происхождения (туфы, шлаки) или в результате дробления. Некоторые фильтрующие загрузки получают из отходов дробления камня при производстве строительного материала. В 1962 г. доцентом Куйбышевского инженерно-строительного института В.Н. Мартенсеном был предложен для использования в водоочистных фильтрах дробленый керамзит. Обосновывая его преимущества перед песком, В.Н. Мартенсен и Р.И. Аюкаев отмечали: «… большей задерживающей способностью будет обладать та загрузка, у которой больше контактирующая с водой поверхность частиц. Действие гидродинамических сил отрыва будет меньше в загрузке, незамкнутая пористость которой больше и, следовательно, меньше реальные скорости фильтрационного потока, т. е. увеличение удельной поверхности зерен загрузки и ее пористости повышает способность загрузки задерживать загрязнения» [7]. С 1964 г. было начато промышленное применение керамзитовой загрузки для фильтров и даже контактных осветлителей. Вслед за керамзитом были предложены и другие местные материалы: горелые породы, вулканические шлаки, гранулированные металлургические шлаки, габбро-диабаз, фарфоровая крошка и т. д. Все указанные в табл. 3.1 материалы были всесторонне изучены и успешно применены на ряде самых различных фильтровальных станций России. На основе высокоэффективных фильтрующих загрузок появилась возможность усовершенствовать и интенсифицировать работу большинства конструкций фильтровальных сооружений, создать двух – и многослойные фильтры. Перечисленные материалы не исчерпывают всего многообразия фильтрующий загрузок, предложенных для фильтровальных сооружений в последние годы. Список этих материалов постоянно пополняется. Перспективным направлением является изготовление искусственных фильтрующих материалов с заданной адгезионной активностью к конкретным видам загрязнений – модифицированные загрузки. Таблица 9.1 Свойства наиболее распространенных фильтрующих материалов Материалы Плотность, г/см3 Насыпная плотность слоя зерен диаметром 0,7 – 1,8 мм, г/см3 Пористость слоя, % Коэффициент формы зерен Авторы исследования Кварцевый песок 2,4 – 2,6 1,5 – 1,7 32 - 42 1,07 – 1,17 - Антрацит дробленый 1,6 – 1,7 0,9 37 - 45 1,1 – 1,5 Б.М. Борисов Керамзит недробленый * 1,7 – 1,8 0,8 – 1,7 42 - 47 1,29 Мартенсен, В.Н., Аюкаев Р.И. Керамзит дробленый* 1,2 – 1,5 0,35 – 0,5 49 - 74 2,35 Петров Е.Г. Горелые породы 2,4 – 2,5 1,5 – 1.8 52 - 60 2,1 Фоминых А.М., Артеменок Н.Д. Вулканические шлаки* 2,6 1,1 – 2,6 58 - 64 2 – 2,67 Гулян А.Т. Доменные шлаки* 2,6 1,2 – 1,5 42 - 44 - Лозовский Я.Б., Новиков М.Г. Фарфоровая крошка 2,17 1,3 – 1,4 35 - 42 - - Гранодиорит дробленый 2,65 – 2,69 1,35 – 1, 45 48 - 52 1,7 Сошников Е.В., Чайковский Г.П. Габбро-диабаз 3,1 1,58 48 1,75 Евтифеев Ю.П., Аюкаев Р.И. Пенополистирол 0,1 – 0,2 0,1 – 0,2 41 - 43 1,05 – 1,1 Журба М.Г. Капрон 1,17 0,63 46,8 1,11 - * В водонасыщенном состоянии, после замачивания На Дальнем Востоке наибольшее распространение получил дробленый гранодиорит корфовского месторождения, фильтрующую загрузку из которого производит ООО «Гран – ДВ». Этот материал был исследован в качестве фильтрующего доцентами ДВГУПС Е.В. Сошниковым и Г.П. Чайковским и впервые применен в 1978 г. С тех пор песок гранодиоритовый является основной фильтрующей загрузкой Дальнего Востока и Восточной Сибири. Он успешно внедрен более чем на 50 водоочистных сооружениях в Хабаровском, Приморском и Алтайском краях, Сахалинской, Амурской, Читинской, Иркутской и Томской областях, в том числе на крупнейших водоочистных комплексах г.г. Хабаровска, Владивостока, Благовещенска, Комсомольска-на-Амуре, Южно-Сахалинска, Томска, Барнаула, Ангарска. В 1995 г. Ассоциацией водоснабжения и водоотведения Сибири и Дальнего Востока гранодиорит признан единственным фильтрующим материалом региона Сибири и Дальнего Востока, всесторонне исследованным и имеющим полный комплект утвержденной нормативной документации. Гранодиорит внесен в «Перечень материалов, реагентов и малогабаритных очистных устройств, разрешенных госкомитетом санитарно-эпидемиологического надзора Российской Федерации для применения в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения» / N 01-19/32-11 от 23.10.199. Применение песка гранодиоритового для интенсификации процесса очистки воды внесено Научно-исследовательским институтом коммунального водоснабжения и очистки воды (НИИКВОВ, г. Москва) в «Предложения по повышению эффективности очистки воды при подготовке водоочистной станции к выполнению требований СанПиН 2.1.4.559-96», также в «Методические рекомендации по обеспечению выполнения санитарных правил и норм СанПиН 2.1.4.559-96. «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.» на водопроводных станциях очистки природных вод». Песок гранодиоритовый может применяться во всех типах водопроводных зернистых фильтров, в контактных осветлителях, как в качестве основного фильтрующего слоя, так и для поддерживающих слоев. Для расчета фильтровальных сооружений необходимо знать технологические свойства фильтрующей загрузки из выбранного материала: скорость фильтрования при нормальном и форсированном режиме, интенсивность промывки и рекомендуемая степень расширения фильтрующего слоя. Для загрузки из песка, дробленого керамзита и гранодиорита эти сведения приведены в табл. 3.2. Для загрузок из иных материалов следует использовать данные авторов их исследования. Таблица 9.2 Технологические характеристики фильтрующих загрузок из некоторых материалов Тип фильтра Характеристика фильтрующей загрузки Скорость фильтрования, м/ч Параметры промывки Материал Диаметр зерен, мм Эквивалентный, мм Высота слоя, м Коэффициент неоднородности При нормальном режиме, Vн При форсированном режиме, Vф Интенсивность, промывки л/с∙м2 Продолжительность, мин. Относительное расширение, % Однослойные скорые с загрузкой различной крупности Кварцевый песок 0,5 – 1,2 0,7 – 0,8 0,7 – 0,8 1,8 – 2,0 5 - 6 6 – 7,5 12 - 14 6 - 5 45 0,7 – 1,6 0,8 – 1,0 1,3 – 1,5 1,6 – 1,8 6 - 8 7 – 9,5 14 - 16 6 - 5 30 0,8 – 2,0 1,0 – 1,2 1,8 – 2,0 1,5 – 1,7 8 - 10 10 - 12 16 - 18 6 - 5 25 Дробленый керамзит 0,5 – 1,2 0,7 – 0,8 0,7 – 0,8 1,8 – 2,0 6 - 7 7 - 9 12 - 14 6 - 5 45 0,7 – 1,6 0,8 – 1,0 1,3 – 1,5 1,6 – 1,8 6 - 8 7 – 9,5 14 - 16 6 - 5 30 0,8 – 2,0 1,0 – 1,2 1,8 – 2,0 1,5 – 1,7 8 - 10 9,5 - 12 16 - 18 6 - 5 25 Дробленый гранодиорит* 0,5 – 1,2 0,7 – 0,8 0,7 – 0,8 1,8 – 2,0 6 - 7 7 - 9 13 - 15 6 - 5 45 0,7 – 1,6 0,8 – 1,0 1,3 – 1,5 1,6 – 1,8 6 - 8 7 – 9,5 15 - 17 6 - 5 30 0,8 – 2,0 1,0 – 1,2 1,8 – 2,0 1,5 – 1,7 8 - 10 9,5 - 12 17 - 18 6 - 5 25 Скорые с двухслойной загрузкой Кварцевый песок 0,5 – 1,2 0,7 – 0,8 0,7 – 0,8 1,8 – 2,0 7 - 10 8,5 - 12 14 - 16 7 - 6 50 Дробленый керамзит 0,8 – 1,8 0,9 – 1,1 0,4 – 0,5 1,6 – 1,8 * По данным исследований Е.В. Сошникова и Г.П. Чайковского, ДВГУПС 9.3.2. Фильтрующие материалы для сорбционной очистки воды Для сорбционной очистки воды используют множество материалов природного и искусственного происхождения. По используемому для приготовления сырью сорбенты подразделяют на углеродные и неуглеродные. Как и все зернистые фильтрующие материалы сорбенты характеризуются физико-механическим свойствами (плотность, механическая прочность, химическая стойкость, фракционный состав). В отличие от инертных материалов испытание на прочность углеродных загрузок производится методом истирания. Исходя из особенностей очистки воды сорбцией, технологические характеристики сорбентов зависят в основном от их структурных свойств: объема и разновидности пор, суммарной омываемой поверхности и др. Суммарный объем пор определяют кипячением навески гранул материала. Имеются достаточно сложные методы выявления пор различного размера: макропор, мезопор, микропор. Суммарная емкость пор, как и соотношение между порами разного размера являются наряду со стоимостью важнейшими аргументами при выборе типа сорбента. Согласно теоретическим воззрениям выбор сорбента должен быть обоснован типом загрязнений, которые следует задержать в процессе очистки воды. Сорбционная емкость фильтрующих материалов обычно определяется по йоду, метиленовому голубому или по мелассе [9]. Углеродные сорбенты представлены активными углями (АУ), которые выпускаются в виде гранулированных (ГАУ), порошкообразных (ПАУ) и волоконных (УВМ). Активные угли – пористые твердые тела, пустоты которых соединены между собой подобно структуре древесины. Они состоят из множества беспорядочно расположенных микрокристаллов графита. Природным сырьем для производства АУ служат различные углеродсодержащие материалы: уголь, древесина, полимеры, отходы пищевой, целлюлозо-бумажной и других отраслей промышленности. Обычно изготовление АУ состоит из двух этапов: карбонизация сырья и активация полупродукта. Активные угли выпускают в виде дробленых – БАУ, ДАК, КАД – и гранулированных – АГ-3, АГ-5, СКТ и др. Для получения дробленых углей сырье измельчают до размера 1 – 6 мм. После карбонизации они практически сохраняют структуру сырья, причем твердые сорта древесины (дуб, клен, граб) дают твердые угли, а мягкие породы (ель, сосна, береза) – с низкой механической прочностью. Для производства гранулированных углей сырье измельчают, смешивают с реагентами и связующими веществами (лесотехнической и каменноугольной смолами, фенолом и др.), формируют гранулы цилиндрической или сферической формы. Порошкообразные угли (ПАУ) получают тонким размолом АГ, прежде всего некондиционных. Карбонизация производится нагреванием до 700-8000С без доступа воздуха в барабанных печах. Активация осуществляется нагреванием в присутствии активирующих агентов - кислорода, водяного пара, углекислого и сернистого газа – при температуре 750-10000С. Углеродные волокнистые материалы получают из полимеров (гидратцеллюлозных и полиакрилонитриловых волокон) термообработкой в потоке инертных газов. УВМ обладают повышенной удельной поверхностью, значительной пористостью с порами разных размеров. В табл.3.3. приведены технологические характеристики некоторых отечественных и зарубежных активных углей, выпускаемых в промышленных масштабах. Имеются технологии изготовления АУ из отходов промышленных производств, например, сточных вод или осадков целлюлозно-бумажной промышленности, гидролизной промышленности и даже из избыточного активного ила. Такие сорбенты дешевы, поскольку производятся на месте. На локальных очистных сооружениях, где расходуется незначительное количество сорбентов и регенерация их нецелесообразна, можно использовать природные углеродные сорбенты: торф, бурый уголь, кокс. Их сорбционная емкость ниже в 3-10 раз промышленных АУ, но низкая стоимость и доступность делает привлекательными для предварительной очистки питьевых и доочистки сточных вод. Извлечение органических и неорганических загрязнений при помощи природных углеродных материалов обусловлено в основном не физической сорбцией, а хемосорбцией. Неуглеродные сорбенты находят все большее применение, поскольку отличаются избирательностью, достаточно высокой сорбционной емкостью при сравнительно низкой стоимости и доступности. Наиболее распространенные неорганические сорбенты с регулярной структурой – глинистые породы, которые подразделяются на несколько групп. Дисперсные кремнеземы осадочного происхождения состоят по большей части из аморфной двуокиси кремния. Это опоки, трепел, диамтомит. Слоистые и слоисто-ленточные алюможелезомагниевые силикаты имеют расширяющуюся и жесткую структуру. Первые – вермикулит и монтмориллонит – составляют основу бентонитовых глин. Монтмориллонит очень эффективен для очистки воды от органических примесей. У слоистых сорбентов с жесткой структурой (каолинит, тальк, гидрослюда) площадь активной поверхности ограниченна, поскольку обусловлена переходно- и макропористыми пространствами между микрокристаллами силикатов. Некоторые глинистые сорбенты достаточно активны в естественных условиях, но большую часть их рекомендуется активировать химическим или термическим способом. В табл.3.4. даны характеристики некоторых неуглеродных сорбентов. В последнее время широкое распространение в практике водоочистки получили природные алюмосиликаты, особенно их разновидности, называемые цеолитами или цеолитизированными туфами. Известно более 30 видов природных цеолитов, наиболее распространеными из которых являются: шабазит, модернит, клиноптилолит. Нагревание цеолита снижает содержание связанной воды, а обработка с температурой более 7500С обеспечивает полную устойчивость в воде. Получение прочных и водостойких цеолитов производится активацией – нагревом в печах с хлоридом и карбонатом натрия при температуре 10000С. Природные цеолиты применяют в виде фильтрующих материалов и порошков для удаления из воды СПАВ, ароматических и канцерогенных примесей, органических соединений, красителей, пестицидов, коллоидных и бактериальных загрязнений. Контрольные вопросы 1. Какие требования предъявляются к зернистым фильтрующим материалам? 2. Для чего строится гранулометрическая характеристика фильтрующей загрузки? 3. Какие свойства фильтрующих материалов предопределяют их высокие технологические параметры? 4. В чем принципиальное отличие инертных фильтрующих материалов и сорбентов? 5. Какие разновидности сорбентов применяются в фильтровальных сооружениях? 6. Для каких видов загрязнений применяют инертные фильтрующие загрузки, а для каких сорбенты? Таблица 9.3 Характеристики некоторых активных углей Марка Крупность, мм Истинная плотность, г/см3 Насыпная плотность, г/дм3 Прочность при истирании, % Суммарный объем пор см3/г Объем микропор см3/г Объем мезопор см3/г Объем макропор см3/г Отечественные марки ОУ-А ≤ 0,1 - - - 2,38 0,26-0,29 0,13-0,18 - ОУ-Б ≤ 0,1 - - - - 0,26-0,29 0,13-0,18 - ОУ-Л ≤ 0,1 - - - - 0,26-0,29 0,13-0,18 - КАД ≤ 0,1 1,8-2,1 227-271 - 0,72-0,88 0,33-0,41 0,081-0,099 0,31-0,37 БАУ-А 1,0-3,6 - 240 60 1,65-1,80 0,22-0,25 0,08-0,1 1,35-1,45 ДАК 1,0-3,6 - - - 1,40-1,50 0,17-0,20 0,03-0,05 1,20-1,25 АГС-4 2,0-3,6 - - 65 0,78-0,88 0,23-0,26 0,04-0,06 0,51-0,56 АГ-3 1,5-2,8 1,7-2.0 450-600 78-85 0,80-0,97 0,29-0,35 0,07-0,10 0,44-0,52 ДАУ 0,5-2,0 - 760 73 0,60-0,68 0,28-0,32 0,04-0,06 0,28-0,30 АГМ-5 0,5-12,5 1,7-2,1 252-309 82-85 0,82-0,98 0,29-0,35 0,054-0,066 0,47-0,57 АА 0,2-12,5 - 470 - 0,43 0,35 0,045-0,1 0,30-0,35 СКТ 1,5-2,0 - 254-310 - - 0,40-0,46 0,18-0,19 0,36-0,38 СКТ-3 2,0-3,5 - 254-310 - - 0,37-0,46 0,06-0,09 0,25-0,32 МАУ-100 0,8-1,1 - 510 85 1,4 0,22-0,25 0,08-0,1 1,35-1,45 МАУ-2А 1,8-8,0 - 270 60 1,4 0,37-0,45 0,06-0,09 0,25-0,32 Зарубежные марки S-51 (США) - - - - - 0,12 0,75 - KB (США) - - - - - 0,09 1,1 - F-300 Бельгия) 1,5-1,7 - - 80 0,85 - 0,13-0,18 F-400 (Бельгия) 0,9-1,1 - - 80 0,94 - 0,13-0,18 FL-830(Бельгия) 0,85-2,0 - 425 80 0,85 - 0,13-0,18 Таблица 9.4 Характеристика некоторых неуглеродных сорбентов Минерал Эффективный размер пор, 2 r, нм Сорбционные характеристики Катионообменная емкость, мг-экв/дм3 по N2 (БЭТ) по H2O по C6H14 Поверхность, м2/г Пористость, м3/г Поверхность, м2/г Пористость, м3/г Поверхность, м2/г Пористость, м3/г Диатомит 0,98 17,2 0,58 - - - - - 1,32 14,5 1,6 - - - - - 2,0 10,5 2,4 - - - - - Опока - 90 0,43 - - - - - - 92 0,44 - - - - - Трепел 2,0 32,6 0,74 - - - - - 3,2 75 0,70 - - - - - Вермикулит 1,5-2,0 - - 471 0,18 14 0,03 1,45 Гидрослюда 0,05-0,1 - - 157 0,25 125 0,25 0,26 Каолинит 1,0-1,5 20 - 11 0,04 10 - 0,01 0,02-0,5 - 0,35 94 0,23 69 0,17 0,25 Монтморилломит 0,05-0,5 - 0,12 428 0,37 3,6 0,05 1,0 0,05-0,3 - 0,13 311 0,30 60 0,07 0,71 Палыгорскит 0,01-0,2 - 0,48 302 0,45 153 0,29 0,24 9.4 Конструкции скорых фильтров Конструкций скорых фильтров много, но все они имеют общие по назначению конструктивные элементы: корпус, фильтрующую загрузку, водораспределительные и водоотводящие системы - желоба и каналы (при водовоздушной промывке дополнительно предусматривается воздухораспределительная система), обслуживающие трубопроводы. Расположение элементов фильтров, их количество и конструкции зависит от назначения фильтров, условий их применения, вида фильтрующего материала. На конструкцию скорых фильтров влияют также их размеры, количество фильтрующих слоев, направление фильтрования, наличие поддерживающих слоев, система промывки, вид водораспределительных систем. 9.4.1. Конструкции безнапорных скорых фильтров Безнапорный скорый фильтр представляет собой прямоугольный в плане резервуар, высотой 3,5 - 5 м, внутри которого размещены водораспределительные и водосборные системы. На рис. 4.1 приведены схемы различных безнапорных скорых фильтров, отличающиеся расположением водораспределительных и водосборных устройств, а также направлением фильтрования. В безнапорных фильтрах фильтрование с заданной скоростью осуществляется под действие гравитационных сил тяжести воды (фильтрование сверху вниз), или под действием создаваемого насосом или высокорасположенной емкостью давлением (фильтрование снизу вверх). Размеры фильтра в плане обычно близки к квадрату. Высота фильтра определяется высотой загрузки и поддерживающих слоев, а также высотой слоя воды (обычно 2 – 2,5 м), который необходим для преодоления сопротивления движению фильтрационного потока, возрастающего по мере накопления в загрузке загрязнений. Рис.9.4. Схемы скорых фильтров: а) – однослойный безнапорный фильтр с боковым каналом; б) – двухслойный фильтр; в) – двухпоточный фильтр; г) – фильтр с центральным каналом; д) – фильтр с плавающей загрузкой; е) - однослойный фильтр с низким горизонтальным отводом промывных вод При площади более 40 м2 фильтры проектируют с центральным каналом, как показано на рис 4.1. г, который разделяет корпус на две одинаковых секции. Канал разделен по горизонтали на два отсека, в нижнем располагается водораспределительный коллектор, верхний предназначен для распределения очищаемой воды и сбора промывной. Иногда коллектор в канале не устраивают и водораспределительные трубы выходят непосредственно из стенок канала. Ширина канала должна быть не менее 0,7 м. Площади накалов не входят в рабочую площадь фильтров. Корпус фильтра выполняется железобетонным (редко металлическим) с толщиной стенок 0,2 – 0,5 м. Желательно применять типовые размеры фильтров (ширина х длина): 3,5х5; 5х5,5; 6х6; 6х7,5; 6х9; 6х12; 12х12 м. В нижней части корпуса располагается нижняя распределительная система, вверху – распределительно–водосборная (желоба, водосливы, дырчатые трубы). Схема однослойного фильтра с боковым каналом (карманом) приведена на рис. 4.2. Исходная вода по трубопроводу 8 поступает в карман 2, откуда через отверстия в стенке перетекает в желоба 3. Переливаясь через верхние кромки желобов, вода фильтруется сверху вниз через фильтрующую загрузку 4, проходит поддерживающие гравийные слои 5 и собирается в трубы водораспределительной системы 6. Далее вода перетекает в коллектор 7 и отводится сначала по трубе 10, а затем по сборной трубе 11 в РЧВ. Промывная вода подается от промывных устройств (насоса или бака башни) по трубопроводу 12 в коллектор 7, проходит распределительные трубы 6, поддерживающие слои 5 и фильтрующую загрузку 4 снизу вверх. При этом происходит расширение загрузки и вымыв из нее загрязнений. Загрязненная промывная вода переливается через кромки в желоба 3, по ним перетекает в боковой карман 2 и по трубопроводу 9 отводится в техническую канализацию. Воздухоотводчик 13 устанавливается в верхней части коллектора с одной или двух сторон (при площади фильтра более 50 м2) для удаления перед промывкой защемленного воздуха. Рис. 9.5. Устройство однослойного скорого фильтра с боковым карманом: 1 – корпус; 2 – карман; 3 – желоб; 4 – фильтрующая загрузка; 5 – поддерживающие гравийные (щебеночные) слои; 6 - водораспределительные трубы; 7 – коллектор; 8 – подача воды на очистку; 9 – отвод промывной воды; 10 – отвод фильтрата; 11 – сборный трубопровод профильтрованной воды; 12 – подача воды на промывку; 13 - воздухоотводчик Скорость фильтрования зависит от гранулометрического состава фильтрующего материала и обычно при нормальном режиме составляет 5 – 12 (до 15) м/ч. Чем мельче загрузка, тем меньше скорость и высота слоя загрузки. Увеличить скорость фильтрования можно, применив высокопористые материалы (см. табл. 3.1). После окончания фильтроцикла фильтры промываются обратным потоком очищенной воды от специального промывного насоса или промывной башни. Для интенсификации процесса промывки и сокращения расхода промывных вод применяют водовоздушную промывку с дополнительной подачей воздуха от воздуходувки. Двухслойные и многослойные фильтры. При фильтровании сверху вниз вода проходит сначала мелкозернистые слои загрузки, имеющие малые поры, но большую суммарную поверхность зерен. Это способствует накоплению в верхних слоях основной массы загрязнений и быстрому росту потерь напора. В двухслойных фильтрах верхний слой имеет размеры зерен крупнее, чем нижний, что способствует более равномерному распределению загрязнений во всей толще загрузки. Для того, чтобы при промывке в результате гидравлической сортировки не происходило перемешивание загрузки, верхний слой выполняется из более легкого фильтрующего материала, чем нижний. Например, вверху размещают керамзит, внизу – кварцевый песок. Известны и многослойные фильтры (до пяти слоев) в которых применены разнообразные материалы, с плотностью от 3,5 до 1,3 г/дм3. При проектировании многослойных фильтров важно правильно выбрать соотношение диаметров зерен загрузок соседних слоев, чтобы не происходило их перемешивание на границе раздела. Необходимо, чтобы гидравлическая крупность самых крупных зерен вышерасположенного слоя загрузки была меньше, чем гидравлическая крупность самых мелких зерен нижнего слоя. Двухпоточные фильтры. Для увеличения производительности фильтров, максимально используя их грязеемкость, АКХ им. Памфиловава разработала фильтры в которые исходная воды подается двумя потоками: большая часть расхода подается через нижнюю водораспределительную систему и фильтруется снизу вверх, а меньшая – сверху вниз, поступая в фильтр через желоба. Сбор очищенной воды производится через верхний трубчатый дренаж, расположенный почти в центре толщи загрузки. Эти сооружения вызывают затруднения при эксплуатации из-за опасности засорения промежуточного дренажа фильтрующим материалом, особенно при промывке. Поэтому промывку ведут следующим образом: сначала промывная вода в небольшом количестве подается в верхний дренаж и производится взрыхление верхнего слоя, затем через нижний дренаж подается основной промывной поток. Одновременно небольшой расход воды подается в верхний дренаж для создания противодавления в трубопроводе, препятствующего попаданию в него загрузки. Разработаны двухпоточные, двухслойные фильтры (ДДФ) повышенной грязеемкости, в которых применена двухслойная загрузка. Радиальные фильтры. Повышению грязеемкости фильтров способствует увеличение скорости фильтрования по ходу движения потока очищаемой воды. Этот принцип применен в радиальных фильтрах, конструкции НГАСУ (рис. 4.3) , где очищаемая вода движется горизонтально в радиальном направлении – от периферии к центральной трубе. Скорость фильтрации постепенно повышается, создавая наилучшие условия для проникновения загрязнений во всю толщу загрузки. Рис. 9.6. Схема радиального фильтра: 1 – подача сжатого воздуха; 2 – радиальный корпус; 3 – центральная водосборная труба осветленной воды; 4 – водосборные желоба промывной воды; 5 – кольцевая водораспределительная камера; 5 – боковой карман; 7 – сброс промывной воды; 8 – подвод воды на промывку; 9 – колпачковая распределительная система; 10 – внутренняя пористая перегородка; 11 – отвод осветленной воды в РЧВ; 12 – распределительный трубопровод для воздуха 13 – фильтрующая загрузка; 14 – внешняя пористая перегородка Распределение воды производится кольцевой камерой, расположенной вокруг радиального корпуса и отделенной пористой перегородкой. Профильтрованная вода собирается центральной трубой с пористыми стенками. Фильтрующая загрузка (предпочтительнее высокопористая дробленая: горелые породы аргиллит, аглопорит, альбитофир, гранодиорит) с крупностью зерен 1,2 – 2,0 мм выполняется слоем до 2 – 2,5 м. Для распределения сжатого воздуха и промывной воды используется безгравийная система с щелевыми длинноствольными колпачками. Режим промывки предусматривает: подачу воздуха с интенсивностью 20 л/с∙м2 в течение 5 минут; совместную подачу воздуха с той же интенсивностью и подачу воды с интенсивностью 6 л/с∙м2 в течение 10 минут; подачу воды с интенсивностью 12 л/с∙м2 в течение 5 минут. Скорость фильтрования, отнесенная к поверхности наружной пористой перегородки принимается равной 20 м/ч. При этом скорость фильтрования, отнесенная к площади сечения радиального корпуса в плане ограничивается величиной 25 м/ч. Кольматация пористой перегородки предотвращается периодической обработкой фильтра хлорной водой с концентрацией активного хлора 10-12 мг/дм3 в течение 6-12 ч. Фильтры рекомендуются для предварительной очистки питьевых и доочистки сточных вод. Двухступенчатые фильтры разработаны Е.В. Сошниковым и С.Н. Фоминым (ДВГУПС) и представляют собой два скорых фильтра, объединенных в единый корпус (рис. 4.4). Вода движется последовательно через фильтр первой ступени снизу вверх, а затем, пройдя сборный канал, фильтруется через фильтр второй ступени. Самотечное движение через обе ступени обеспечивается тем, что фильтр первой ступени оборудован системой низкого отвода через водослив. При этом создается постоянный уровень излива воды в центральный соединительный канал. Вторая ступень фильтра имеет традиционную конструкцию с желобами. Рис. 9.7. Конструкция двухступенчатого фильтра: 1 – первая ступень; 2 – водослив с пескоулавливающим желобом; 3 – центральный соединительный канал; 4 – вторая ступень фильтра; 5 – отвод промывной воды; 6 - водосборные желоба; 7 – загрузка второй ступени фильтра; 8 – водораспределительная система фильтра второй ступени; 9 – коллектор фильтра второй ступени; 10 - коллектор фильтра первой ступени; 11 - водораспределительная система фильтра первой ступени; 13 - загрузка второй ступени фильтра; 14 – струенаправляющий уступ В первой ступени фильтра фильтрация осуществляется в направлении убывающей крупности зерен загрузки, чем обеспечивается высокая грязеемкость. Работа первой ступени обеспечивает предварительную очистку воды и допускает проскок загрязнений до 10 мг/л. Вторая ступень осуществляет доочистку воды до питьевого стандарта. Двухступенчатые фильтры могут применяться при мутности исходной воды до 150-200 мг/л и цветности до 150 градусов. Скорость фильтрования диктуется первой ступенью и составляет 4,5 - 5,5 м/ч. Эффективная работа двухступенчатого фильтра требует тщательного подбора фракционного состава загрузок ступеней фильтра. Промывка фильтра водовоздушная, при обычных параметрах воды и воздуха. Одним из достоинств двухступенчатых фильтров является возможность введения дополнительных реагентов, воздуха, окислителей в канал перед второй ступенью фильтрования, что расширяет сферу их эффективного применения. Фильтры с плавающей загрузкой. Для промывки традиционных фильтров с тяжелыми фильтрующими материалами требуются специальные устройства (насосы, башни), что удорожает их эксплуатацию. В фильтрах с загрузкой из легких (меньше плотности воды) материалов не требуется значительный напор при промывке. Кроме того, для фильтров с плавающей загрузкой (ФПЗ) часто можно обойтись без сложных нижних сборно-распределительных систем. В качестве фильтрующей загрузки обычно используют гранулированный вспененный полистирол, шунгизит и замкнутоячеистые плавающие гранулы из других материалов с размером зерен от 0,3 до 10-15 мм. Разработано несколько конструкций ФПЗ с восходящим и нисходящей фильтрацией, некоторые из которых показаны на рис. 4.5. Рис. 9.8. Схемы фильтров с плавающей загрузкой: а) однослойные с восходящим потоком воды (ФПЗ-1); б) двухслойные с восходящим потоком воды (ФПЗ-6); в) однослойные с нисходящим потоком воды (ФПЗ-3); 1 – канал (карман); 2 – корпус; 3 – удерживающая решетка; 4 – фильтрующая загрузка; 5 – распределительный трубопровод; 6 - отвод промывной воды; 7 – отвод фильтрата; 8 – подвод воды на очистку; 9 – крупнозернистая загрузка Фильтрующий слой из плавающих гранул фильтрующей загрузки в воде формируется иначе, чем слой из тяжелых материалов: сверху располагаются крупные зерна, обладающие по закону Архимеда наибольшей подъемной силой, а снизу – мелкие. Основной проблемой эксплуатации ФПЗ – подвижность загрузки, из-за которой она может быть легко вынесена потоком воды из фильтра. Для предотвращения выноса в фильтрах над загрузкой устанавливается удерживающая решетка или сетка. Промывка фильтра осуществляется тем запасом воды, который накапливается над слоем загрузки. Для выполнения промывки следует лишь открыть задвижку на трубопроводе, отводящем промывную воду, поскольку напора воды достаточно для расширения загрузки. В ФПЗ фильтрование снизу вверх аналогично фильтрованию сверху вниз в традиционных фильтрах с тяжелыми загрузками. При фильтровании сверху вниз реализуются преимущества фильтрования в направлении убывающей крупности зерен. Для создание двухслойного фильтра нижний слой загрузки формируют из гранул более крупного размера, чем в верхнем слое, но имеющих большую плотность. Например, верхний слой составляет пенополистирол с диаметром зерен 0,6-0,8 мм, а нижний – гранулы полувспененного полистирола размером 1,2-1,5 мм. Подробно об ФПЗ описано в [10]. 9.4.2 Водораспределительные системы скорых фильтров В нижней части фильтров располагаются водосборные - водораспределительные системы, которые служат для сбора профильтрованной воды и распределения промывной воды во время регенерации. Расход воды при промывке в 6 – 10 раз превышает фильтрационный, поэтому режим промывки является расчетным для проектирования этих систем. Длительное время в фильтрах применялись распределительные системы малого сопротивления (с горизонтальной компенсацией), состоявшие из поддонного пространства, перекрытого решетчатым днищем из бетонных, деревянных или металлических брусков, уложенных со щелями 10-30 мм. Сверху укладывались гравийные или щебеночные слои высотой до 1м. В таких системах часто нарушалась равномерность распределения воды по площади фильтра, происходили смещения поддерживающих слоев. В водораспределительных системах большого сопротивления потери напора возрастают по ходу движения промывной воды за счет увеличения скорости в элементах этой системы. Такое соотношение скоростей затрудняет поступление воды в первые по пути движения трубы, или выходные отверстия, и заставляет более равномерно распределяться по всем трубам и отверстиям. В отечественной практике применяются следующие водораспределительные системы большого сопротивления: - трубчатая дырчатая (с малыми и большими круглыми отверстиями); - из щелеванных труб; - трубчатая со щелеванной лентой; - колпачковая; - из пористых плит; - «экополимер» Некоторые трубчатые элементы водораспределительных систем показаны на рис. 4.6. Рис. 9.9. Конструкции трубчатых элементов водораспределительных систем: а) с малыми отверстиями; б) со щелеванной лентой; в) из щелеванных труб; г) с большими отверстиями Водораспределительные системы большого сопротивления могут быть с поддерживающими слоями или без них. При наличии поддерживающих слоев применяют трубчатый дренаж с круглыми отверстиями. Водораспределительная система состоит из коллектора и трубчатых ответвлений. Диаметр коллектора рассчитывается на скорость промывного потока 0,8-1,2 м/с. Коллектор обычно располагают в центре фильтра с одинаковыми ответвлениями в обе стороны от коллектора, но может прокладываться вдоль одной его стенки (иногда снаружи фильтра). В этом случае ответвления направлены в одну сторону. В фильтрах с центральным каналом коллектор помещают внизу канала. Иногда ответвления присоединяются непосредственно к центральному каналу без коллектора. Некоторые распределительные системы фильтров показаны на рис. 4.7. Расстояния между осями труб ответвлений принимается 250-350 мм. Диаметры труб рассчитываются на скорость промывного потока 1,6-2 м/с. Отверстия диаметром 10-12 мм размещаются с шагом 150-200 мм в два ряда в шахматном порядке под углом 450 книзу от вертикали. Общая площадь отверстий составляет 0,25-0,5 % рабочей площади фильтра. Рис. 9.10. Схемы водораспределительных систем фильтров: а) трубчатая с центральным коллектором; б) трубчатая с боковым коллектором; в) трубчатая с коллектором в центральном канале; г) из полимербетонных плит; 1 – водораспределительные трубы (ответвления); 2 – коллектор; 3 – боковой карман; 4 – отвод промывных вод; 5 – распределительный канал; 6 – отражательный диск; 7 - патрубок; 8 – центральный канал; 9 – полимербетонная плита Поддерживающие гравийные (щебеночные) предназначены для предотвращения попадания загрузки в отверстия труб дренажа, а также обеспечивают более равномерное распределение воды по площади фильтра. Поддерживающие слои состоят из нескольких фракций и укладываются от дна с уменьшающимся диаметром зерен на высоту согласно рекомендаций из табл. 4.1. [6]. Таблица 9.5 Поддерживающие слои фильтров Крупность зерен, мм Высота слоя, мм 40 – 20 20 – 10 10 – 5* 5 – 2* Верхняя граница слоя должна быть на уровне верха распределительных труб, но не менее чем на 100 мм выше отверстий 100 – 150 100 – 150 50 - 100 * При водовоздушной промывке высота слоев 10 – 5 мм и 5 – 2 мм следует принимать по 150 – 200 мм каждый. В фильтрах без поддерживающих слоев применяются распределительные трубчатые системы с малыми отверстиями, щелями, щелеванной лентой, а также колпачковые, из пористых плит или типа «экополимер». Малые отверстия суммарной площадью 0,25-0,5 % от площади фильтра диаметром 2-3 мм размещают с двух сторон вдоль трубопровода рядами. Средний ряд располагают под углом 450 к низу от вертикали. В нижней части фильтра устраивают слой мелкозернистого гравия диаметром 2-5 мм на высоту 0,3-0,5 м. Щели в распределительных трубах суммарной площадью 1,5-2% от площади фильтра размещают равномерно поперек оси и по периметру труб не менее чем в два ряда. Ширина щелей принимается на 0,1 мм меньше минимального размера зерен загрузки. Щелеванные ленты располагают по верхней части распределительных труб. Под щелями делаются круглые отверстия диаметром 10-20 мм, суммарной площадью 0,25-0,5% от площади фильтра. Колпачки закрепляются в промежуточном перекрытии, располагаемом на высоте 0,8 м от дна. Общая площадь щелей всех колпачков принимается равной 0,8-1% от площади фильтра. Количество колпачков рассчитывается исходя из площади щелей одного колпачка. Колпачки располагаются в шахматном порядке, при этом их число на 1 м2 не должно быть менее 30-50 шт. Колпачки наворачиваются на резьбу ниппелей, установленных в плите промежуточного днища. Если фильтры имеют водовоздушную промывку, применяют длиннохвостные колпачки, в нижней части патрубков которых делаются продольные щели шириной 1 мм и длиной 50-60 мм, через которые происходит подача воздуха в колпачок в период продувки. Вода в поддонное пространство поступает через патрубок из нижнего отделения центрального канала, как показано на рис. 4.8. При водовоздушной промывке фильтра в канале прокладывается воздуховод, через патрубки от которого подается воздух в верхнюю часть поддонного пространства. В дне фильтра устраивается приямок для сбора песка. Дно имеет уклон к приямку а над дном прокладывается кольцевой трубопровод со штуцерами для гидросмыва песка. Рис. 9.11. Схема колпачковой распределительной системы (а) и из пористых полимербетонных плит (б): 1 – центральный канал; 2 – патрубок; 3 - отражательный диск; 4 – диафрагма; 5 – загрузка; 6 – полимербетонная плита; 7 – перекрытие поддона; 8 – воздуховод с патрубками; 9 - колпачок Устройство дренажной системы из пористых полимербетонных плит показано на рис. 4.8. Она стоит из поддонного пространства, разделенного стенками на распределительные каналы шириной 0,25-0,6 м и высотой 0,25-0,35 м. Каналы перекрываются сборными пористыми полимербетонными плитами толщиной не менее 40 мм. Вода из центрального канала по патрубку, рассчитанному на скорость промывного потока 1-1,6 м/с, подается в поддонное пространство. За патрубком на расстоянии 1-2 диаметров патрубка устанавливается отражательный диск, а на входе в патрубок – диафрагма. Потери напора в диафрагме, которые должны составлять 2-3 м, позволяют более равномерно распределять воду по распределительным каналам. Трубчатая распределительная система «Экополимер» выполняются из полимерных материалов. Она состоит из распределительных труб с крупными (10-20 мм) отверстиями, перекрытых сверху рулонным водопроницаемым нетканым синтетическим материалом. Трубы выполняются секциями, соединяемыми при помощи муфт, что создает удобства при монтаже. Ответвления трубчатых дренажей с дырчатой или щелевой перфорацией выполняются из стали (лучше из нержавеющей) или пластмассы. Пластмассовые (обычно полиэтиленовые) ответвления насаживаются горячими на патрубки, приваренные к коллектору. В процессе фильтрования давление в фильтрующей загрузке по глубине слоя уменьшается и иногда достигает давления насыщенных паров растворенных в воде газов. Выделившиеся в виде пузырьков газы защемляются в загрузке, уменьшая поровое пространство фильтрующего слоя (газовая кольматация). Наибольшую проблему создает воздух, накапливающийся в распределительных трубах и коллекторе, поскольку он препятствует равномерному распеделению промывного потока. Для удаления воздуха из дренажа в верхних точках коллектора устанавливаются воздухоотводчики (стояки-воздушники) диаметром 75-150 мм с автоматическим вантузом или с запорной арматурой, выходящие выше верха фильтра (см. рис 4.2.). При площади до 50 м2 предусматривается один стояк в конце коллектора, при большей – два, в начале и конце. Для водовоздушной промывки фильтров в дополнение к водораспределительным трубам предусматриваются воздухораспределительные трубопроводы. Они состоят из одного или двух коллекторов и отходящих от них ответвлений. Трубы ответвлений располагают посредине между трубами водяного дренажа. Коллектор для воздуха располагают над, или под водяным коллектором, а также в виде двух коллекторов, проложенных вдоль боковых стенок по длине фильтра над водораспределительными трубами, как показано на рис. 4.9. В последнем случае ответвления от коллектора для воздуха доходят с двух сторон до водяного коллектора. Рис. 9.12. Схема устройства трубопровода для подачи воздуха: а) с одним коллектором; б) с двумя коллекторами; 1 – загрузка; 2 - поддерживающий слой; 3 – коллектор для воды; 4 - ответвления для воды; 5 ответвления для воздуха; 6 – коллектор для воздуха; Присоединение воздухораспределительных труб к воздушным коллекторам осуществляется вертикальным участком. Воздух к коллектору подводится вертикальным трубопроводом сверху от магистрального воздуховода. Магистральный трубопровод от воздуходувки до фильтров прокладывается выше максимального уровня воды в фильтрах не менее чем на 2 м. Диаметры труб для подачи воздуха рассчитываются на значительно большую скорость, чем водопроводные. Рекомендуются следующие расчетные скорости движения воздуха: в отверстиях – 30-40 м/с , в распределительных трубах - 15-20 м/с; в коллекторе – 12-15 м/с, в магистрали – 8-10 м/с. 9.4.3. Устройства для сбора и отвода промывной воды Для сбора и отведения промывных вод при водяной промывке в фильтрах устраиваются желоба полукруглого или пятиугольного сечения. Желоба размещают над загрузкой фильтра на высоте, обеспечивающей расширение фильтрующей загрузки. Кромки желобов должны быть горизонтальны, а лотки иметь уклон 0,01 к сборному каналу. Загрязненная промывная вода отводится по желобам и свободно изливается через отверстия в стенке в сборный канал, дно которого опускается ниже лотков желобов, не допуская их подтопления. Количество желобов принимается исходя из предельного расстояния между осями соседних желобов 2,2 м (см. рис. 4.10). Желоба должны быть расставлены равномерно по площади фильтра таким образом, чтобы продольная ось каждого находилась в центре обслуживаемой желобом площади. Желоба выполняются бетонными или металлическими. Для обеспечения горизонтальности верхних кромок желобов рекомендуется устанавливать водосливные доски с зубчатыми треугольными водосливами. При водовоздушной промывке фильтров и отводе промывных вод через желоба возможен выброс фильтрующего материала, особенно при одновременной подаче воды и воздуха. Для предотвращения этого вдоль кромок желобов рекомендуется предусматривать отбойные козырьки с патрубками для отвода воздуха (рис.4.10 в). Рис. 9.13. Схема желобов для фильтров: а) план размещения желобов; б) желоб пятиугольного сечения; в) желоб полукруглого сечения с отбойным козырьком При водовоздушной промывке по СНиП [6] рекомендуется предусматривать систему низкого горизонтального отвода промывных вод через водослив с пескоулавливающим желобом (см. рис. 4.11). Водовоздушная промывка производится практически без расширения загрузки. Это делается для обеспечения статической устойчивости поддерживающих слоев и загрузки во время промывки и предотвращения их смещения. Основой промывной эффект обеспечивает воздух, подающийся с большой интенсивностью. Воздушные пузырьки, обладающие значительной отрывной силой, срывают загрязнения с поверхности зерен в период продувки фильтра и при совместной подаче воды и воздуха. Поток воды лишь вымывает загрязнения из толщи загрузки. Рис. 9.14. Скорый фильтр с водовоздушной промывкой и низким горизонтальным отводом промывных вод: а) – разрез фильтра; б) – план; в) устройство водослива; г) – струенаправляющий уступ; 1 – трубопровод подвода воздуха на промывку; 2 – воздухоотводчик; 3 – струенаправляющий уступ; 4 – слой воды; 5 – водослив; 6 – карман; 7 - отвод профильтрованной воды; 8 – водораспределительный коллектор; 9 – отвод промывной воды из кармана; 10 – фильтрующая загрузка; 11 – поддерживающие слои; 12 – водораспределительные трубы; 13 – коллектор для воздуха; 14 – воздухораспределительные трубы; 15 – пескоотбойная доска водослива; 16 – щель для отвода песка При водовоздушной промывке сначала через воздушную распределительную систему подается воздух, который отрывает загрязнения от зерен загрузки и выравнивает гидравлическое сопротивление по площади фильтра. Далее добавляется промывная вода с небольшой интенсивностью, которая выносит загрязнения из слоя загрузки. Заключительный этап промывки предусматривает отмывку загрузки водой и вымыв защемленного воздуха. Регламент водовоздушной промывки для фильтров с песчаной и близкой ей по плотности загрузкой (гранодиоритовой, из горелых пород) следующий: взрыхление загрузки воздухом с интенсивностью 15-20 л/(с∙ м2) в течение 1-2 мин; совместная подача воздуха с интенсивностью 15-20 л/(с∙ м2) и воды 3-4 л/(с∙ м2) в течение 4-5 мин; промывка водой с интенсивностью 6-8 л/(с∙ м2) продолжительностью 4-5 мин. Промывная вода отводится по сбросному трубопроводу, присоединенному сбоку или снизу к боковому или центральному каналу, на сооружения по обработке промывных вод или в техническую канализацию. Диаметр водоотводящего трубопровода принимается не менее (лучше на сортамент больше) диаметра водораспределительного коллектора. 9.4.4 Напорные фильтры Напорные фильтры применяются при малой производительности станций водоочистки. В промышленном водоснабжении принято называть их осветлительными или механическими. Они изготавливаются из металла, полной заводской готовности и рассчитаны на различную производительность и разное давление. Напорные осветлительные фильтры, применяемые для очистки воды, классифицируются: - по расположению корпуса: вертикальные и горизонтальные; - по числу камер фильтрования: одно-, двух- и трехкамерные; - по количеству слоев фильтрующего материала: одно- и двухслойные. На рис. 4.12. приведены схемы некоторых осветлительных фильтров. Стрелками показано направление движения воды в режиме фильтрования. Фильтры серийно выпускаются заводами и оборудуются верхними и нижними распределительными системами (дренажами), системами воздушного взрыхления загрузки, системами гидроперегрузки фильтрующего материала, запорно-регулирующей арматурой. Все это позволяет обеспечить быстрый монтаж оборудования, надежную работу и высокий уровень эксплуатации фильтров. Вертикальные фильтры позволяют обеспечить большую высоту фильтрующего материала, горизонтальные требуют здания меньшей высоты, двухслойные и двухпоточные фильтры предназначены для увеличения эффекта очистки воды, двухкамерные фильтры располагаются на меньшей производственной площади, нежели однокамерные. В напорные фильтры вода подается насосами, поэтому их можно располагать на произвольной отметке. На рис. 4.13 приведена принципиальная схема напорного вертикального однокамерного однослойного фильтра. Такого рода фильтры имеют преимущественное применение в промышленном водоснабжении. В таблице 4.1 приведены характеристики некоторых наиболее распространенных напорных фильтров. Таблица 9.6 Характеристики напорных фильтров Тип напорных фильтров Марка Диаметр D, м Площадь фильтрования, м2 Высота H, мм Слой загрузки, м Нагрузочная масса, т Фильтры вертикальные, однокамерные ФОВ 1,0-0,6-1 1,0 0,8 2675 1,0 0,7 ФОВ 1,4-0,6-2 1,5 1,78 2435 1,0 1,0 О-2 2,0 3,14 3620 1,0 15 О-2,6 2,6 5,3 4000 1,0 28 О-3 3,0 7,1 4370 1,0 37 О-3,4 3,4 9,1 4530 1,0 50 Фильтры горизонтальные, однокамерные ОГ-5,5 3,0 15 L=5,5 м 1,0 63 ОГ-10 3,0 30 L=10 м 1,0 118 Фильтр вертикальный, трехкамерный О-3-3,4 3,4 27,3 6925 0,9х3 102 Напорные фильтры загружаются зернистыми материалами, аналогичными применяемым в открытых фильтрах. При использовании гранодиорита и других загрузок из горных пород, отличающихся повышенной образивностью, поверх дренажа укладывают поддерживающий слой из гранодиорита или щебня диаметром зерен 2 – 5 мм и высотой 200 – 300 мм. Наиболее употребительный размер зерен загрузки в напорных фильтрах составляет 0,8 – 2,0 мм с коэффициентом неоднородности 1,8 - 2,0. Конструктивно напорный фильтр представляет собой цилиндрический сосуд, работающий обычно под давлением до 0,6 МПа. Важнейшими элементами конструкции напорного фильтра являются дренажно-распределительные устройства, состоящие из трубчатой системы и предназначенные для равномерной подачи и сбора воды и сжатого воздуха по всей площади фильтра. Варианты расположения труб в нижней дренажно-распределительной системе показаны на рис. 4.14. Конструкции дренажей разнообразны. Для равномерного распределения воды в распределительных трубах выполняются отверстия или щели с размером одной щели около 0,4  0,1 мм. Наиболее эффективный дренаж - с применением специальных фильтрующих элементов (щелевых колпачков). Фильтрующие элементы в этих дренажах навинчиваются на патрубки, приваренные к распределительным трубам. Расположение элементов и схемы их показаны на рис. 4.15-4.16. В колпачках типа ФЭЛ фильтроблок располагается в верхней части, поэтому при взрыхлении фильтра поток воды с песком не повреждает соседние колпачки. В таблице 4.2 приведены основные параметры фильтрующих элементов – щелевых колпачков. Таблица 9.7 Щелевые колпачки для дренажей фильтров водоочистки Обозначение Ширина щели, мм Живое сечение, мм2 Потери давления, МПа Диаметр, мм Высота, мм ФЭЛ-0,2-3-1-Н 0,20,05 780 0,019 68 32 ФЭЛ-0,2-7,5-1-Н 0,20,05 1800 0,009 100 40 ФЭЛ-0,4-4-1-Н 0,40,05 1100 0,15 68 32 ФЭЛ-0,4-11-1-Н 0,40,05 2700 0,006 100 40 Условное обозначение колпачков включает: название (ФЭЛ – фильтрующий элемент); ширину щели; производительность, м3/ч, при скорости воды в щелях 0,9 м/с; тип исполнения; материал (Н – нержавеющая сталь). Нижнее дренажно-распределительные устройство испытывает большие нагрузки, создаваемые потоком воды и слоем фильтрующей загрузки. Поэтому это дренажное устройство расположено на слое кислотостойкого бетона, заливаемом на нижнее днище фильтра. Имеются конструкции напорных фильтров, у которых колпачки устанавливаются в промежуточном (ложном) днище, отделяющем поддонное пространство от фильтрующей загрузки. Расположение и крепление колпачков производится по аналогии с безнапорными фильтрами, описанными выше. Верхняя распределительная система обычно состоит из системы труб с равномерно распределенными по их длине отверстиями диаметром 10 – 15 мм. Иногда верхнее распределительное устройство выполнено в виде цилиндра с отверстиями по бокам. Применяется и простой излив воды из подводящего трубопровода. В этом случае для предотвращения выноса загрузки при промывке на высоте 30-40 см от верха фильтра устанавливают круглую водоотбойную пластину (тарелку). В фильтре, как правило, имеется два люка служащих для наблюдения за состоянием фильтрующего материала, для его загрузки и выгрузки, для монтажа и ремонта внутренних устройств. С целью отбора проб исходной воды и фильтрата на анализ предусмотрены пробоотборные линии с кранами, на которых одновременно располагаются манометры для контроля перепада давления в фильтре. Для отвода воздуха из фильтра к верхней его точке присоединен трубопровод воздушник. Пробоотборники при эксплуатации фильтра постоянно открыты. Сброс воды из пробоотборников и воздушника производится в сосуд, прикрепленный к стенке фильтра, и далее в техническую канализацию. Фильтр оборудован трубопроводами для подвода и отвода обрабатываемой воды, подачи и отвода промывной воды, опорожнения и подачи сжатого воздуха. В процессе фильтрования фильтрующая загрузка загрязняется, возрастает гидравлическое сопротивление фильтра и снижается скорость фильтрования. Перепад давления на входе и выходе воды в чистом фильтре составляет около 0,01 МПа. При достижении перепада давления величины 0,1 – 0,12 МПа фильтр отключается на промывку. Продолжительность работы фильтра между промывками зависит от загрязненности поступающей на него воды, при хорошей работе сооружений первой ступени очистки она составляет 18 – 24 часа. Более продолжительный, чем у открытых фильтров, фильтроцикл объясняется значительно большим располагаемым напором, который у безнапорных фильтров составляет лишь 2-2,5 м, а у напорных может достигать 10 м и более. Промывка производится потоком воды и воздуха снизу – вверх. Интенсивность подачи воды и воздуха зависит от рода фильтрующего материала и принимается в соответствии с указаниями норм [6]. Известны конструкции самопромывающихся напорных фильтров. Их принципиальное отличие от самопромывающихся безнапорных – использование сифонов для автоматического включения режима промывки. Фильтр с высокорасположенным баком промывной воды (рис. 4.17. а) работает следующим образом. Исходная вода через воздухоотделитель 4 по трубопроводу 6 через гидравлический затвор 8 подается в фильтр 9. Очищенная вода по водоотводящему трубопроводу 10 поступает в бак промывной воды 2 и после его наполнения через бачок разрыва струи 1 отводится по трубопроводу 11 в РЧВ. Когда напор в фильтре из-за возросшего сопротивления увеличится до величины, достаточной для саморазряжения сифона 5, вода из промывного бака подается на промывку фильтра под напором, созданным высотным положением бака. Промывная вода через сифон сливается в приямок 7. Промывка заканчивается при попадании воздуха в сифон через трубу 3 при опорожнении промывного бака. Рис. 9.20. Схема самопромывающихся напорных фильтров: а) с высорасположенным промывным баком; б) конструкции Л.А.Кульского и М.И. Медведева; 1 – бачок разрыва струи; 2 – бак промывной воды; 3 – труба для разрядки сифона; 4 – воздухоотделитель; 5 – сифон; 6 – подающий трубопровод; 7 – водоотводящий приямок; 8 - гидравлический затвор; 9 – фильтр; 10 – отвод фильтрата; 11 – подача воды в РЧВ В фильтре конструкции Л.А. Кульского [11] (рис.4.17.б) принцип действия аналогичен, но напор для промывки создается вакуумом, который возникает при разрядке сифона 5. Контрольные вопросы 1. Какие основные элементы составляют конструкцию скорых фильтров? 2. Какие разновидности распределительных устройств применяются в скорых фильтрах? 3. Какие устройства используются для сбора и отвода промывных вод? 4. Какие достоинства и недостатки многослойных фильтров по сравнению с однослойными? 5. В чем принципиальное отличие в конструкции и работе фильтров с плавающей загрузкой? 6. Какие особенности работы радиальных фильтров? 7. Какие технологические возможности предоставляет двухступенчатый фильтр? 8. Как обеспечивается самомпромывка скорых фильтров? 9. Какие конструктивные особенности у напорного фильтра? 9.5 Контактные осветлители воды Контактные осветлители (КО) применяются для очистки воды с небольшой мутностью (максимальное значение с учетом введенных реагентов до 120 мг/л) и цветностью (до 120 градусов) в одну ступень без предварительного их отстаивания, при любой производительности. Такие сооружения должны обеспечивать эффективную и глубокую очистку воды и обладать высокой грязеемкостью. При значительном содержании взвесей промывка КО происходит часто, заметно увеличивая расход воды на собственные нужды, поэтому их применение рационально при среднегодовой мутности до 30-50 мг/л, а цветности до 80-100 град. При этом максимальные концентрации загрязнений не должны наблюдаться более 30-50 сут в год. В КО реализованы принципы контактной коагуляции и фильтрования в направлении убывающей крупности зерен, позволяющие заметно увеличить грязеемкость сооружений. В отличие от скорых фильтров, на которые подается вода с уже сформировавшимися скоагулированными хлопьями взвеси, в КО процесс коагуляции происходит непосредственно в объеме фильтрующей загрузки. При этом возникают большие силы адгезии даже при меньших дозах реагентов. Коагуляция в слое зирнистых материалов протекает полнее и во много раз быстрее, чем в свободном объеме. На процесс контактной коагуляции мало влияют температура и щелочность воды. Для увеличения грязеемкости КО фильтрование осуществляется в направлении убывающей крупности зерен – снизу вверх. Известно, что размеры поровых каналов фильтрующей загрузки зависят от диаметра зерен – наибольшие каналы в крупнозернистом нижнем слое. В то же время наибольшая суммарная поверхность зерен, наоборот, наблюдается в слое из зерен малого размера – в верхних слоях загрузки. Эти обстоятельства создают наилучшие условия для повышения грязеемкости загрузки за счет фильтрования снизу вверх. При таком движении вся масса загрязненной воды проходит сначала нижние крупнопористые слои загрузки, что предотвращает закупорку поровых каналов крупными примесями – явление, часто наблюдаемое в скорых фильтрах. При незначительной суммарной поверхности зерен нижнего слоя в нем задерживается основная часть загрязнений, некоторое количество проникает выше – в среднезернистые слои. В верхнюю часть загрузки прорываются самые мелкие и устойчивые загрязнения, а также агрегаты, оторванные и вынесенные потоком из нижележащих слоев. Таким образом, при фильтровании снизу вверх загрязнения глубоко проникают во всю толщу загрузки и более равномерно, чем при нисходящем фильтровании, насыщают поровое пространство. Это обстоятельство с учетом большой толщины слоя в КО (не менее 2 м) делает сооружения очень грязеемкими. Особенный процесс задержания и накопления загрязнений в КО благоприятно сказывается на потерях напора в фильтрующей загрузке. Известно, что темп прироста потерь напора тем медленнее, чем крупнее зерна фильтрующей загрузки. Крупнозернистые, самые насыщенные загрязнениями слои дают незначительный рост потерь напора. В верхних мелкозернистых слоях загрязнений задерживается меньше, поэтому потери напора в них также невелики. Таким образом, в контактных осветлителях продолжительность фильтроцикла по времени достижения предельных потерь напора также значительна. Из-за опасности псевдоожижения загрузки восходящая скорость фильтрования в КО ограничивается величиной 5-6 м/ч, что уменьшает производительность этих сооружений по сравнению с аналогичными по площади скорыми фильтрами. По конструкции КО сходны со скорыми фильтрами. Среди нескольких известных конструкций КО наибольшее распространение получили КО-1 и КО-3, схемы которых показаны на рис.5.1. Рис.9.21. Принципиальные схемы контактный осветлителей: а) КО-1 с гравийной трубчатой распределительной системой; б) КО-3 с гравийной трубчатой распределительной системой для водовоздушной промывки; в) КО-1 с центральным каналом и безгравийной трубчатой распределительной системой; 1 – корпус; 2 – желоба; 3 – водосборный канал (карман); 4 - отвод фильтрата; 5 – отвод промывной воды; 6 – фильтрующая загрузка; 7 – подача воды на очистку; 8 – подача воды на промывку; 9 - поддерживающие слои; 10 – трубчатая распределительная система для воды; 11 - трубчатая распределительная система для воздуха; 12 - подача воздуха; 13 – струенаправляющий уступ; 14 - водослив Принципиальное отличие этих сооружений в конструкции промывных устройств из-за разных систем промывки. Для КО-1 предусмотрена водяная промывка с отводом промывных вод через желоба, как это осуществляется в большинстве скорых фильтров. В КО-3 промывка водовоздушная, с низким горизонтальным отводом промывных вод через водослив. Водораспределительные системы для КО имеют свои особенности, вызванные необходимостью обеспечить их незасоряемость при подаче воды на очистку. Поскольку исходная вода не проходит первичное отстаивание, в ней могут содержатся крупнодисперсные примеси. Предварительная грубая очистка исходной воды на барабанных сетках и даже микрофильтрах принципиально проблему не решает. Именно из-за вероятности засорения малых отверстий для КО не применимы такие хорошо зарекомендовавшие себя в фильтрах распределительные системы, как колпачковые, экополимерные, щелевые. Длительное время в КО-1 использовалась трубчатая распределительная система большого сопротивления с крупными (10-14 мм) отверстиями. Такие отверстия требуют обязательного наличия подстилающих, поддерживающих гравийных слоев. Конструкция трубчатой дырчатой распределительной системы КО-1 сходна с такой системой для скорых фильтров. Поддерживающие гравийные слои состоят из гравия (щебня) таких же фракций, что и для фильтров, но с большей высотой для более мелких фракций (см. табл.5.1). Таблица 9.8 Фракционный состав поддерживающих слоев и загрузки контактных осветлителей по СНиП [6] Показатель Высота гравийных и песчаных слоев, м, для осветлителей без поддерживающих слоев с поддерживающими слоями Крупность зерен гравия и песка, мм: 40 - 20 - 0,2 – 0,25 20 - 10 - 0,1 – 0,15 10 - 5 - 0,15 – 0,2 5 - 2 0,5 – 0,6 0,3 – 0,4 2 – 1,2 1 – 1,2 1,2 – 1,3 1,2 – 0,7 0,8 – 1 0,8 – 1 Эквивалентный диаметр зерен песка, мм 1 – 1,3 1 – 1,3 Повышенная грязенасыщенность загрузки КО, особенно в нижних слоях, делает ее при промывке гидравлически неустойчивой и провоцирует образование зон неравных скоростей. Если при этом имеются дефекты водораспределительной системы, возникает опасность горизонтального смещения поддерживающего гравийного слоя. Была разработана безгравийная трубчатая распределительная система (БТРС). БТРС представляет собой систему распределительных труб с отверстиями диаметром 10-12 мм, расположенными в шахматном порядке и направленными вниз под углом 300 к вертикальной оси трубы. К трубам по бокам привариваются вертикальные металлические шторки, не доходящие до дна КО. Между шторками привариваются поперечные перегородки, доходящие до дна и разделяющие подтрубное пространство на ячейки. Схема БТРС приведена на рис. 5.2. Размеры элементов распределительной системы указаны в табл. 5.2. Рис. 9.22. Схема устройства безгравийной распределительной системы (БТРС) для КО: а) внешний вид; б) поперечный разрез; 1 – отверстия в трубах; 2 – водораспределительные трубы; 3 – боковые шторки; 4 – поперечные перегородки Таблица 9.9 Размеры конструктивных элементов БТРС Диаметр труб ответвлений, мм Отношение суммарной площади отверстий к площади осветлителя, % Расстояние, мм между осями труб ответвлений от дна осветлителя до до низа шторок от низа шторок до оси труб ответвлений между поперечными перегородками 75 0,28-0,3 240-260 100-120 155 300-400 100 0,26-0,28 300-320 120-140 170 400-600 125 0,24-0,26 350-370 140-160 190 600-800 150 0,22-0,24 440-470 160-180 220 800-1000 Сбор и отвод промывных вод, а также отвод профильтрованной воды осуществляется желобами, размещение которых и расчет производится по аналогии со скорыми фильтрами. Желоба оборудуются треугольными водосливами высотой 40-60 мм с шагом 100-150 мм. Распределительная система КО-3 состоит из двух трубопроводов для воды и для воздуха. При этом могут быть предусмотрены поддерживающие гравийные слои, согласно табл.5.1, или применена безгравийная распределительная система БТРС. Суммарная площадь отверстий в трубах ответвлений при наличии поддерживающих слоев должна составлять 0,2% от площади осветлителя. Трубы для воздуха размещают посредине между трубами для воды. Для уменьшения возможности горизонтального перемещения нижних поддерживающих слоев или загрузки между трубами предусматривают перегородки, как показано на рис. 5.3. Рис. 9.23 Схема распределительных систем для воды и воздуха КО-3: а) при наличии поддерживающих слоев; б) при отсутствии поддерживающих слоев (БТРС); 1 - отверстия в трубах; 2 – водораспределительные трубы; 3 – боковые шторки; 4 - поперечные перегородки подтрубного пространства; 6 – поперечные межтрубные перегородки Режим водовоздушной промывки для КО-3 осуществляется без расширения фильтрующего слоя. Это делается для обеспечения статической устойчивости поддерживающих слоев и загрузки во время промывки и предотвращения их смещения. Основой промывной эффект обеспечивает воздух, подающийся с большой интенсивностью. Воздушные пузырьки, обладающие значительной отрывной силой, срывают загрязнения с поверхности зерен в период продувки КО и при совместной подаче воды и воздуха. Поток воды лишь вымывает загрязнения из толщи загрузки. Регламент водовоздушной промывки КО-3 следующий: взрыхление загрузки воздухом с интенсивностью 18-20 л/(с∙ м2) в течение 1-2 мин; совместная подача воздуха с интенсивностью 18-20 л/(с∙ м2) и воды 3-3,5 л/(с∙ м2) в течение 6-7 мин; промывка водой с интенсивностью 6-7 л/(с∙ м2) продолжительностью 5-7 мин. Вынос загрязнений из КО при столь малой интенсивности подачи воды возможен благодаря малой высоте слоя воды от поверхности фильтрующей загрузкой до кромки водослива. Струенаправляющий уступ, расположенный с противоположной от водослива стороны, создает горизонтальное направление промывного потока (в аналогичных фильтрах фирмы «Дегремон» через отверстия в струенаправляющем уступе направляется дополнительный поток воды для увеличения горизонтальной скорости). Схема устройства водослива с низким отводом промывных вод КО аналогична водосливам скорых фильтров (см. рис. 4.11). Фильтрующая загрузка является основным рабочим элементом фильтровальных сооружений и обеспечивает эффективность их работы. В КО применяется более крупная, чем в большинстве скорых фильтров загрузка – от 0,7 до 2,0 мм [6], что вызвано необходимостью иметь крупные поровые каналы. Кроме того, крупные зерна имеют большую массу и не взвешиваются при восходящем фильтровании с заданной скоростью. Это же обстоятельство предопределяет выбор для КО фильтрующих материалов с большой плотностью – более 2,5 г/см3. Пористость фильтрующего слоя влияет на его грязеемкость и потери напора при фильтровании. Следует отдавать предпочтение фильтрующим материалам с изломанной поверхностью зерен, например, гранодиориту, горелым породам, металлургическим шлакам, габбро-диабазу и т.п., которые имеют большую межзерновую пористость и удельную поверхность зерен, чем речной песок. Фильтрующий слой КО должен содержать набор как мелких, так и крупных зерен, т.е. обладать большей, чем принято в фильтрах, неоднородностью. Это обеспечивает его высокую грязеемкость. Однако чрезмерная неоднородность фильтрующей загрузки вызывает затруднения в ее качественной регенерации. Если в загрузке присутствуют очень мелкие зерна, они будут выносится промывным потоком. Чрезмерно крупные зерна, наоборот, не будут взвешиваться при промывке и на них будут накапливаться остаточные загрязнения. В КО с поддерживающими слоями их фракционный состав и высота принимаются согласно табл. 5.1. У осветлителей с безгравийной распределительной системой (БТРС) загрузка состоит из трех фракций: 2-5 мм, высотой слоя 0,5-0,6 м; 2-1,2 мм, высотой слоя 1-1,2 м; 0,7-1,2 мм, высотой слоя 0,8-1 м. Если выразить соотношение фракций в массовых долях получим 21 : 43 : 35 % соответственно. Гранулометрическая кривая рассева такой загрузки показана на рис. 5.4. Для такой загрузки коэффициент неоднородности равен 2,5. Именно это значение коэффициента неоднородности часто указывается в технической литературе, было приведено в более ранней редакции СНиПа. Рис. 9.24. Гранулометрическая характеристика загрузки КО с распределительной системой БТРС по СНиП [6] Нижний крупнозернистый слой фильтрующей загрузки (2-5 мм) предназначен для равномерного распределения воды по площади фильтра и обычно считается не рабочим, а вспомогательным. Поэтому часто в проектах приводится фракционный состав только рабочей части загрузки – 0,7 – 2,0 мм, так как именно она обеспечивает очистку воды до нужного качества. Поскольку засыпка КО фильтрующим материалом производится по фракциям, важно знать, какие требования предъявляются к гранулометрическому составу основной, рабочей части загрузки. На рис. 5.5 приведены примеры гранулометрической характеристики рабочей части загрузки во всем диапазоне ее зерен –0,7-1,2 и 1,2-2,0 мм, назовем ее объединенной фракцией. Исходя из вышеописанных особенностей работы КО, оптимальной загрузкой (с наилучшими технологическими качествами) будет такая, в которой содержится примерно равное количество зерен во всем диапазоне объединенной фракции (линия 1 на рис. 5.5). Как видим линия гранулометрической характеристики оптимальной загрузки почти прямолинейная. Оптимальная загрузка обеспечивает высокую степень санитарной надежности КО. Для такой загрузки коэффициент неоднородности составляет 2,1, а эквивалентный диаметр – 1,2 мм. Рис. 9.25. Примеры графиков ситового анализа рабочей части фильтрующей загрузки - объединенной фракции 0,7 – 2,0 мм В реальных условиях дробления и рассева фильтрующего материала получить такую загрузку затруднительно, но следует понимать, что любые отклонения от эталона ухудшает технологические параметры работы КО. Так, если в загрузке содержится излишне большое количество мелких частиц (линия 2 на рис. 5.5), следует ожидать сокращение фильтроцикла из-за быстрого роста потерь напора. Из графика видно, что в загрузке мало зерен с диаметром 1,2 – 1,6 мм. При большом содержании крупных зерен (линия 3 на рис. 5.5) сократится время защитного действия фильтра. Здесь, наоборот, зерен с диаметром 1,2 - 1,6 мм содержится излишне много – почти 50 %. Добиться линейного вида гранулометрической кривой объединенной фракции можно при соотношении фракций 0,7-1,2 мм – 40-45% и 1,2 – 2,0 мм – 60-55%. Учитывая, что для дробленых материалов в первый год эксплуатации наблюдается повышенная измельчаемость, лучше придерживаться соотношения фракций как 40% / 60%. При этом в каждой фракции должно быть пропорциональное содержание зерен разного размера. Безнапорные КО выполняются, как правило, бетонными с внутренней облицовкой стен. Толщина стен принимается 0,15 – 0,5 м в зависимости от размера сооружения. Внутренняя поверхность стен отделывается кафельными плитками. Желоба выполняются железобетонными или металлическими. Для выравнивания верхних кромок желобов рекомендуется устанавливать водосливные доски с зубчатыми треугольными водосливами. Для выпуска воздуха из дренажной системы на коллекторах (в каналах) устанавливают воздухоотводчики (воздушники) диаметром 75 -100 мм с запорной арматурой или автоматическими устройствами выпуска воздуха. При площади до 50 м2 устраивается один воздушник, при большей пощади – два, в начале и конце коллектора. Для опорожнения КО на нижней части коллектора должен быть предусмотрен трубопровод (диаметром 100 - 200 мм) с запорным устройством, обеспечивающим скорость нисходящего потока в осветлителе не более 2 м/ч при наличии поддерживающих слоев, и не более 0,2 м/ч – без поддерживающих слоев. При опорожнении КО без поддерживающих слоев предусматривают устройства, исключающие вынос загрузки, например сетку и гравийный слой. КО на станции водоочистки размещаются рядами (линиями). Каждый осветлитель оборудуется трубопроводами, обеспечивающими подачу и отвод воды при всех режимах эксплуатации и снабженные задвижками и поворотными затворами. Диаметры трубопроводов определяются гидравлическим расчетом по расходу и рекомендуемой скорости. Диаметры трубопроводов, обслуживающих каждый осветлитель, рассчитываются при форсированном режиме, т.е. при отключении одного сооружения на промывку. Расчеты рекомендуется вести в табличной форме. Контактные осветлители ограждаются прозрачными перегородками от коридоров управления на высоту не менее 2,5 м. 9.6.1. Входные устройства для контактных осветлителей Станция контактных осветлителей включает входные устройства и собственно осветлители. Входные устройства представляют собой единый блок, состоящий из барабанных сеток (БС) или микрофильтров (МФ) и контактной камеры со встроенными смесителями, обеспечивающие необходимый напор, смешение воды с реагентами и выделение из воды воздуха. Объем входной камеры (разделенной не менее, чем на два отделения) рассчитывается на время пребывание в ней не менее 5 мин. Необходимость входного устройства обосновывается тем, что вода на очистку поступает в распределительную систему КО, которая при наличии в воде крупнодисперсных загрязнений может засориться. Входные устройства очищают воду от таких примесей, а также служат для контакта воды с реагентами. Схема входного устройства показана на рис. 5.6. Рис. 9.26. Схема входного устройства: а) разрез 1-1; б) план; 1 - подача воды на очистку; 2 – подводящий канал; 3 – барабанная сетка (микрофильтр); 4 – ванна; 5 - сборный канал; 6 – подача воды в контактную камеру 7; 8 – подача воды на КО; 9 – перегородки смесителя Вода из источника по трубопроводу 1 поступает в подводящий канал 2 и далее по дырчатому трубопроводу внутрь барабанной сетки 3. Загрязнения задерживаются на внутренней поверхности барабанной сетки (микрофильтра) с ячейками от 2х2 до 0,04х0,04 мм. Очищенная от грубодисперсных примесей вода поступает в сеточную ванну 4, далее в сборный канал 5 и перетекает по трубопроводу 6 в ниже расположенную контактную камеру 7. В контактной камере, разделенной перегородками 9, происходит смешение воды с реагентами и воздухоотделение. Устройство барабанной сетки показана на рис. 5.7. Марки и размеры отечественных БС и МФ приведены в табл. 5.4. Рис. 9.27. Конструкция барабанной сетки в плане: 1 - барабан с сеткой; 2 - подача исходной воды; 3 – подводящий канал; 4 – сеточная ванна; 5 - водослив; 6 - отвод очищенной воды; 7 - механизм для вращения барабана; 8 - опорожнение ванны; 9 - сброс промывных вод; 10 - переливной трубопровод; 11 - подача воды на промывку сеток; 12 - ванна соседней сетки Таблица 9.10 Характерные размеры барабанных сеток Марка Производительность, , тыс. м3/сут Размеры барабана, мм Размеры ванны, мм диаметр, D длина длина ширина МФ 1,5х1 4 1550 1230 2095 2660 МФ 1,5х1 8 2305 3160 МФ 1,5х1 12 3370 4196 МФ 3х1,5 15 3050 1714 2606 4060 МФ 3х3 30 3370 4122 МФ 3х4,5 45 4744 5635 БС 1,5х1 10 1550 1230 2095 2660 БС 1,5х2 20 2305 3160 БС 1,5х3 30 3370 4196 БС 3х1,5 35 3050 1714 2606 4060 БС 3х3 70 3370 4122 Контактная камера должна иметь не менее двух отделений. Общая площадь камеры и ее размеры в плане принимаются равными размеру отделения сеток. Для смешивания и контакта воды с реагентами камера разделяется вертикальными перегородками на коридоры шириной 1-1,5 м. Отвод воды из входных камер на КО должен производиться на отметке не менее, чем на 2 м ниже отметки воды в осветлителе. Контрольные вопросы 1. Какие разновидности контактных осветлителей применяются для осветления воды? 2. Какие достоинства имеют контактные осветлители перед скорыми фильтрами? 3. Почему ограничивается скорость фильтрования в контактных осветлителях? 4. Для чего перед контактными осветлителями предусматривают входные устройства? 5. Каков принцип работы барабанных сеток? 6. Какие особенности фильтрующей загрузки контактных осветлителей? 9.6 Сорбционные фильтры Для сорбционной очистки воды применяют различные аппараты – адсорберы. При сорбционной очистке в потном слое сорбента применяют скорые безнапорные и напорные фильтры, а также колонны. Конструкции фильтров для сорбционной очистки воды мало отличаются от осветлительных или ионообменных. Различия могут быть вызваны условиями регенерации загрузки. Иногда регенерация ГАУ осуществляется непосредственно в корпусе фильтра без извлечения. Для регенерации иногда используют горячие растворы щелочей, поэтому трубопроводы и сам фильтр должен иметь стойкое покрытие. Фильтрационный поток в сорбционных фильтрах может быть как сверху вниз, так и снизу вверх в зависимости от места аппарата в технологической схеме водоподготовки. При сорбционной очистке иногда применяется взрыхление слоя загрузки перед регенерацией для лучшего доступа регенерационного раствора к зернам, а иногда – промывка загрузки водой или водой и воздухом. ГАУ даже в водонасыщенном состоянии имеют небольшую плотность зерен, поэтому интенсивность промывного потока обычно меньше, чем для инертных фильтрующих материалов. Размеры зерен фильтрующей загрузки обычно крупнее, чем в осветлительных фильтрах – 2 – 5 мм, толщина фильтрующего слоя больше – 1,5 – 2,5 м. 9.7 Фильтры для обезжелезивания и деманганации воды В большинстве технологий обезжелезивания и деманганации воды используются фильтрационные методы. Для обезжелезивания воды используются разнообразные фильтры, по конструкции аналогичные фильтрам для осветления воды. Чаще всего применяются скорые фильтры с нисходящей фильтрацией, поскольку для них удобно производить аэрацию воды и меньшая опасность засорения дренажа окислами железа [4]. Фильтры с восходящим фильтрационным потоком обычно применяют при двухступенчатом фильтровании в качестве первой ступени, при этом не рекомендуется использовать щелевые дренажи. Напорные фильтры с плавающей и тяжелой загрузкой применяются при небольшой (до 5 000 м3/сут) производительности станции обезжелезивания. В качестве фильтрующего материала используются практически все известные зернистой загрузки - от плавающей полистирольной до тяжелой из дробленых горных пород и металлургических шлаков. Дробленые фильтрующие материалы отличается большей пористостью, чем песок и другие загрузки с окатанной поверхностью зерен. Кроме того, развитая поверхность зерен изломанной формы быстрее покрывается каталитической пленкой, активно влияющей на процесс обезжелезивания при аэрационных методах обезжелезивания. Однако названное достоинство проявляется лишь в начальный период эксплуатации фильтров. В дальнейшем зерна покрываются более толстым слоем окислов, которые сглаживают поверхность, превращая зерна по форме в близкие к шарам, при этом пористость загрузки уменьшается до пористости песчаной. Наибольшее снижение пористости у загрузок с кавернами на поверхности - керамзита, туфов, шлаков -, поэтому при расчете таких фильтров следует учитывать изменения структурных свойств загрузки. Плавающая полимерная загрузка также не имеет заметных технологических преимуществ и нашла применение из-за оригинальной конструкции самих фильтров с плавающей загрузкой (ФПЗ) и изменяющейся в связи с этим технологической схемы. Для песка и других фильтрующих материалов, близких ему по плотности, характеристика фильтрующего слоя и параметры режима эксплуатации для метода упрощенной аэрации приведены в табл. 7.1. При использовании других методов обезжелезивания параметры загрузки скорых фильтров принимаются по СНиП [6], как для фильтров осветлительных. Таблица 9.11 Параметры фильтрующей загрузки и режимов эксплуатации фильтров обезжелезивания Характеристика фильтрующего слоя Расчетн ая скорость фильтрования м/ч Интенс ивность промывки водой, л/(с.м2) Относи тельное расширение загрузки, % Продо лжительность промывки, мин Минимальный диаметр зерен, мм Максимальный диаметр зерен, мм Эквивалентный диаметр зерен, мм Коэффициент неоднородности Высота слоя, мм 0,8 1,8 0,9 - 1,0 1,5 - 2 1000 5 - 7 14 - 16 30 6 - 5 1,0 2,0 1,2 - 1,3 1,5 - 2 1200 7 - 10 16 - 18 25 7 - 6 Конструкции скорых безнапорных фильтров для обезжелезивания воды мало отличается от фильтров осветления. При методе обезжелезивания с упрощенной аэрацией производят излив исходной воды в карман или центральный канал с высоты над наибольшим уровнем воды в фильтре более 0,5 - 0,6 м. Способы аэрации воды показаны на рис. 7.1. Излив исходной может производится непосредственно в канал (карман) фильтра или в специальный аэрационный резервуар. Для улучшения аэрации над рабочей поверхностью фильтра иногда прокладывают распределительный дырчатый трубопровод для разбрызгивания воды. Рис. 9.28. Способы упрощенной аэрации воды изливом: а) с изливом исходной воды в канал фильтра; б) с аэрационным резервуаром; 1 - фильтр; 2 – воронка; 3 – аэрационный резервуар; 4 - распределительный трубопровод Скорые безнапорные (открытые) фильтры обезжелезивания площадью до 40 м2 проектируют с боковым каналом (карманом), при большей площади - с центральным. Скорость фильтрования определяется гранулометрическим составом загрузки (см табл. 7.1) и поддерживается постоянной или переменной. Постоянную скорость можно достичь при помощи регуляторов, устанавливаемых на выходе воды из фильтра. Обычно в фильтрах предусматривается повышение уровня воды по мере кольматации загрузки и увеличения ее гидравлического сопротивления. В период промывки расход, предназначенный для промываемого фильтра, направляется на оставшиеся, в которых вызывает увеличение уровня воды. В фильтрах обезжелезивания для сбора профильтрованной и распределения промывной воды используются, как правило, дренажные системы большого сопротивления, как и в осветлительных фильтрах. Промывка фильтров обезжелезивания является очень ответственной задачей, поскольку гидроокись железа плотно прикрепляется к зернам загрузки и удалить ее в процессе промывки довольно сложно. Плохая отмывка гидроокислов от зерен приводит к их обрастанию, увеличению размера, утяжелению и, как следствие, плохому расширению фильтрующего слоя при промывке. Это, в свою очередь, затрудняет хорошую отмывку загрузки при последующих промывках и в конечном итоге может привести к кольматации загрузки. Промывка фильтров обезжелезивания и деманганации воды осуществляется водой с расширением загрузки, или водой и воздухом без расширения загрузки с низким горизонтальным отводом промывных вод. Последнее решение весьма спорное, поскольку железистые загрязнения очень прочно прикрепляются к зернам загрузки и их отрыв без соударения частиц в расширенном слое, а только пузырьками воздуха не всегда эффективный. Кроме того, железистый осадок тяжелый и вымыв его из загрузки при малых интенсивностях промывного потока затруднителен. Считаем, что водовоздушную промывку следует производить с расширением фильтрующего слоя и отводить промывную воду через желоба. Контрольные вопросы 1. Для чего и какими способами аэрируется вода перед фильтрами обезжелезивания? 2. Для чего на поверхности зерен загрузки фильтпров обезжелезивания формируется каталитическая пленка? 3. Какие проблемы возникают при промывке фильтров обезжелезивания? 9.8 Медленные фильтры Медленные фильтры осветляют воду при помощи пленки, образующейся из отложившихся взвешенных частиц на мелкопористой фильтрующей перегородке. В медленных фильтрах перегородкой является слой мелкозернистого песка. Пленочное фильтрование обеспечивает задержание до 98 % загрязнений, в том числе бактериальных, поэтому обычно применяется для питьевого водоснабжения. По рекомендациям СНиПа [6] медленные фильтры можно применять для безреагентной очистки мутной (М < 1500 мг/л), малоцветной (Ц < 50 град) воды до питьевого качества. Медленные фильтры представляют собой железобетонные или кирпичные резервуары шириной до 6 м (при большей ширине фильтр разделяется на секции шириной до 6 м) и длиной до 60 м, открытые (в районах с теплым климатом), или закрытые, заполненные мелким кварцевым песком, уложенным на гравийные поддерживающие слои с соответствующей дренажной системой. Вода слоем 1,2 - 1,5 м над фильтрующей загрузкой процеживается со скоростью 0,1 - 0,2 м/ч до момента достижения предельных потерь напора, после чего производится регенерация загрузки. Механическая регенерация загрузки путем периодического срезания верхнего слоя песка толщиной 15 - 20 мм целесообразна при мутности воды до 50 мг/ л и производительности станции водоподготовки не более 1000 м3/сут. Слой зернистого материала пополняется через каждые 10 - 15 циклов регенерации, для чего используют отмытый от загрязнений ранее использованный или свежий песок. Гидравлическая регенерация загрузки осуществляется механическим или гидравлическим разрыхлением ее поверхностного слоя и смывом загрязнений потоком воды. Фильтры с гидравлической регенерацией рекомендуются на станциях производительностью до 30 000 м3/сут и мутностью воды до 700 мг/л. При большей мутности перед медленными фильтрами следует предусматривать микрофильтры или префильтры для предварительного частичного осветления воды. Загрузка медленных фильтров из мелкозернистого песка и гравийные поддерживающие слои принимаются в соответствии с табл. 8.1. Дренаж медленных фильтров может выполняться из перфорированных труб, кирпича, бетонных плиток или кубиков, уложенных с прозорами. Рекомендуются также пористые керамические, полимербетонные и бетонные плиты. В фильтрах с площадью менее 15 м2 вместо дренажа в дне устраивают лоток. Таблица 9.12 Фильтрующая загрузка и поддерживающие слои медленных фильтров Номер слоя сверху вниз Загрузочный материал Крупность зерен, мм Высота слоя загрузки, мм 1 Песок 0,3 - 1,0 500 2 >> 1,0 - 2,0 50 3 >> 2,0 - 5,0 50 4 Гравий или щебень 5,0 - 10,0 50 5 То же 10,0 - 20,0 50 6 >> 20,0 - 40,0 50 В медленных фильтрах с перекрытием расстояние от поверхности загрузки до перекрытия принимают не менее 2 м для создания возможности проведения работ по регенерации загрузки. На рис. 8.1 показан наиболее современный медленный фильтр с гидросмывом загрязнений с поверхности загрузки. В нем разрыхление грязевой пленки на поверхности загрузки производится напорными струями рыхлителя. Рыхлитель представляет собой закрепленные на водораспределительной трубе штуцеры с насадками. При скорости истечения воды из насадка 12 м/с и шаге между насадками 15 см разрыхляется и взмучивается слой песка на глубину до 30 см. Рыхлитель перемещается над поверхностью загрузки при помощи тележки, движущейся по закрепленным под перекрытием швелерным балкам. На тележке подвешены два вращающихся барабана с резиновыми шлангами. Смыв загрязнений осуществляется горизонтальным потоком поступающей исходной воды. Окончательная регенерация загрузки может производиться обратной промывкой с использованием профильтрованной воды. Сбор и отвод промывной воды осуществляется через боковой водослив в карман. Расход промывной воды принимается 9 л/с.м2, продолжительность смыва загрязнений с каждых 10 м длины фильтра - 3 минуты. На рис. 8.2. приведен дренаж из рядами установленных и уложенных обожженных кирпичей. Вместо кирпичей часто применяются бетонные кубики, сверху перекрытые бетонными плитками с отверстиями. Между кубиками образуются каналы для сбора осветленной воды шириной 0,2 - 0,25 м. Рис. 9.30. Медленный фильтр с промывкой загрузки: а) продольный разрез; б) поперечный разрез; 1 - подвод неочищенной воды; 2 - поплавковый клапан; 3 - слой воды над загрузкой; 4 - тележка рыхлителя; 5 - вращающийся барабан со шлангом; 6 - шланг для подачи воды в рыхлитель; 7 - выпуск промывной воды; 8 - карман для сбора промывной воды; 9 - пористая плита; 10 - поддерживающие слои; 11 - фильтрующая загрузка; 12 - трубчатый дренаж; 13 - подача промывной воды; 14 - штуцер с насадком рыхлителя; 15 - распределительная труба рыхлителя. Рис. 9.31. Дренаж медленных фильтров из кирпича: а) - разрез 1 - 1; б) - план; 1 - первый ряд установленных вертикально кирпичей; 2 - второй ряд уложенных горизонтально кирпичей; 3 - третий ряд ; 4 - гравийные поддерживающие слои; 5 - фильтрующая загрузка. Контрольные вопросы 1. В чем принципиальное отличие осветления воды на медленных фильтрах? 2. Какие способы регенерации медленных фильтров применяются? 3. Какие особенности загрузки медленных фильтров? 4. Какие виды водосборных устройств применяются в медленных фильтрах? 9.9 Устройства для промывки фильтровальных сооружений Промывка (регенерация) фильтровальных сооружений может осуществляться водой (водяная промывка) и водой совместно с воздухом (водовоздушная промывка). Вода на промывку может подаваться от специального промывного насоса или от промывного бака (промывной башни), как показано на рис.9.1. Рис. 9.32. Схемы промывки фильтровальных сооружений: а) промывка от насоса; б) промывка от промывного бака башни; 1 – фильтровальное сооружение; 2 – РЧВ; 3 – насосная станция второго подъема; 4 – промывной насос; 5 – насос восполнения бака башни; 6 – бак башни. Выбор схемы промывки определяется технико-экономическим сравнением вариантов. Схема с промывкой от насосов характеризуется большой мощностью насосов и непродолжительной их работой в течение суток. Схема промывки от бака требует затрат на строительство башни. Насосы для обслуживания башни отличаются небольшой производительностью и работают постоянно. Промывной насос располагается в насосной станции второго подъема (обычно) или в фильтровальном зале. Вода на промывку забирается из РЧВ или специального промывного резервуара (рис.9.1.а). В РЧВ должен быть предусмотрен дополнительный объем на промывку двух фильтровальных сооружений. Промывной бак или промывная башня располагается вблизи фильтровального зала. Вода в бак для восполнения промывного запаса подается от насоса, размещаемого в НС -2 или в фильтровальном зале. Вода забирается непосредственно из РЧВ или от трубопровода, отводящего фильтрат в РЧВ (рис.9.1.б). 9.9.1 Промывка от насоса Промывной насос рассчитывается обычно на одновременную промывку одного фильтровального сооружения. В установке может быть один или два агрегата и резервный. Подача насоса равна промывному расходу фильтра. Напор насоса рассчитывается в соответствии со схемой (рис.) по формуле , м, (9.2) где - геометрическая высота подъема воды от минимального уровня в РЧВ до кромки желобов фильтра, м; - потери напора в фильтре при промывке, м; - потери напора во всасывающем и напорном трубопроводах насоса от РЧВ до самого удаленного фильтра при промывке, м. По величине подачи и напору выбирается марка промывного насоса. Насосы для быстрого включения следует устанавливать под «заливом». Насосы устанавливаются по всем правилам размещения насосных агрегатов. 9.9.2 Промывка из промывного бака (башни) Емкость промывного бака рассчитывается из условия приема объема воды, необходимого для двух промывок одного фильтровального сооружения по формуле: , м3. (9.3) Для самотечного движения воды из бака до кромки желобов или кромки водослива фильтровального сооружения отметка дна бака рассчитывается по формуле , м, (9.4) где - потери напора в трубопроводах от бака до самого удаленного фильтровального сооружения, м. Размеры бака принимаются по возможности типовыми или вычисляются из соотношения высоты бака к его диаметру , как 1: 0,7. Верхний уровень воды в баке находится как , м. (9.5) Высота ствола башни от уровня земли до низа бака составит , м. (9.6) Насос для подачи воды в бак рассчитывается из условия восполнения запаса воды в интервале между промывками фильтровальных сооружений. Минимальная производительность насоса будет при соблюдении режима промывки через равные промежутки времени , ч. (9.7) Подача воды определяется по формуле , м3/ч. (9.8) Напор насосов восполнения находится по формуле , м, (9.9) где - потери напора от РЧВ до бака при восполнении промывного запаса воды. По расчетной подаче и напору подбирается марка насоса. Насосы устанавливают под «заливом». Предусматривается резервный насос. 9.9.3 Устройства для водовоздушной промывки При водовоздушной промывке фильтровальных сооружений устройства для промывки водой проектируются и рассчитываются по тем же правилам, что и при водяной промывке. При этом выбирается наибольший промывной расход, предусмотренный во время водовоздушной промывки. Для подачи воздуха дополнительно предусматриваются воздуходувки или компрессоры. Производительность воздуходувки рассчитывается на подачу наибольшего взрыхляющего расхода воздуха при промывке одного фильтровального сооружения по формуле , м3/мин. (9.10) Напор воздуходувки определяется по формуле , м, (9.11) где - отметка воздухозаборника компрессора; - потери напора в воздуховоде от компрессора до фильтра. По расчетным параметрам подачи и напора выбирается марка компрессора. Компрессоры (вместе с резервным) размещаются в НС-2 или фильтровальном зале. Контрольные вопросы 1. Какие промывные устройства используются для промывки фильтровальных сооружений? 2. Как рассчитывается промывная башня? 3. Какие параметры рассчитываются при подборе промывных насосов? 10. Обработка промывных вод фильтровальных сооружений На промывку фильтровальных сооружений расходуется значительное количество воды, составляющей 5 - 10 % от полезной производительности водопроводной станции. Эта вода значительно загрязнена, поскольку в ней содержатся все задержанные при очистке примеси. Кроме того, в реагентных технологиях осветления воды в промывных водах часто отмечается повышенная концентрация гидроокиси алюминия. Промывные воды не могут быть сброшены в водоем без очистки. Сброс промывных вод в городскую канализацию не всегда возможен, так как часто водопроводные станции водоочистки находятся в удалении от населенных пунктов. Там же, где это возможно, сброс промывных вод приводит к значительному увеличению диаметров коллекторов для приема залпового расхода и к неоправданному повышению нагрузки на сооружения биологической очистки сточных вод минеральными веществами. СНиП [6] рекомендует повторное использование (оборот) промывных вод фильтров. Повторное использование промывных вод позволяет уменьшить расход на собственные нужды станций водоочистки, снизить плату за использование природных ресурсов. 10.1. Технологии обработки промывных вод СНиПом [6] предлагаются две основные схемы оборота промывных вод: 1 – усреднение промывных вод и перекачивание их в «голову» водоочистных сооружений, обычно в трубопровод исходной воды перед смесителями; 2 – осветление промывных вод в отстойниках периодического действия с перекачкой осветленной воды в трубопровод исходной воды. Описанные схемы оборота промывных вод показаны на рис. 11.1. При двухступенчатой схеме очистки природных вод применяют первую схему. Промывные воды фильтровальных сооружений поступают через песколовку в резервуары-усреднители, а из него без отстаивания равномерно подаются в голову очистных сооружений. Осадок, накапливающийся на дне резервуара, направляется на дальнейшую обработку. Основной проблемой при применении резервуаров – усреднителей считается плохое перемешивание промывной воды, в результате чего мутность перекачиваемой из них воды заметно меняется, что может ухудшать работу основных сооружений. Для перемешивания воды в резервуаре с целью усреднения ее качества можно применить барботирование воды воздухом. Конструктивно резервуар – усреднитель представляет собой прямоугольную в плане железобетонную емкость, нижняя часть которого проектируется с уклоном в сторону к грязевому приямку. Входная часть резервуара выполняется в виде вертикальной песколовки, для выделения выносимой с промывной водой загрузки. Для взмучивания осадка резервуар оборудуется системой гидросмыва в виде перфорированных труб, располагаемых по его периметру. Рис. 10.1. Технологические схемы оборота промывных вод: а) – с резервуарами – усреднителями; б) – с отстойниками периодического действия; 1 – смеситель воды с реагентами; 2 – отстойник (осветлитель); 3 – скорый фильтр; 4 – резервуар-усреднитель; 5 – входная камера; 6 – контактный осветлитель; 7 – отстойник периодического действия Количество резервуаров или секций должно быть не менее двух. Объем каждого резервуара (секции) рассчитывается на прием промывной воды от промывки не менее чем одного фильтровального сооружения и определяется таким образом, чтобы обеспечить равномерное перекачивание промывной воды от всех фильтровальных сооружений в голову сооружений за сутки. На рис. 11.2. показан пример объемно-планировочного решения резервуара-отстойника. Рис. 10.2. Резервуар-усреднитель промывных вод: а) – план; б) – разрез При одноступенчатых схемах очистки воды фильтрованием (осветлении на фильтрах в одну ступень или КО, обезжелезивании) применяют вторую схему оборота промывных вод с отстаиванием в отстойниках периодического действия. Осветленная в течение определенного времени вода равномерно перекачивается в голову сооружений, а осадок направляется на обработку. Для повышения эффективности отстаивания промывной воды возможно добавление реагентов – щелочи (извести), коагулянтов и флокулянтов. Вид реагентной обработки назначается в каждом конкретном случае после проведения технологических изысканий. Для поддержания бактериального благополучия в основных сооружениях водоочистки следует подвергать добавляемую оборотную воду обеззараживанию – обычно хлорированию. Отстойники периодического действия выполняются в виде прямоугольного в плане железобетонного резервуара. Объем отстойника состоит из вертикальной части и зоны накопления осадка, имеющей уклоны дна к грязевому приямку. Длительность пребывания воды в отстойнике определяется суммой продолжительностей приема промывных вод (до 0,5 ч.), собственно отстаивания и перекачивания отстоянных вод в голову сооружений. Продолжительность отстаивания зависит от вида отработки природных вод: согласно СНиП для станций реагентного осветления и обезжелезивания – 2 ч, для станций безреагентной обработки – 4 ч. При реагентной обработке промывной воды флокулянтом время отстаивания принимается 1 ч. Осадок из осадкоуплотнительной зоны обычно сбрасывается после нескольких циклов отстаивания промывных вод. Объем отстойника принимается равным количеству промывных вод от промывки одного (реже двух) фильтровальных сооружений. Число отстойников или секций рассчитывается из условия приема и равномерной перекачки промывных вод всех фильтровальных сооружений в режиме наибольшей частоты промывок за сутки, т.е. для периода наибольшей грязевой нагрузки на водоочистные сооружения. Осадок из отстойников перекачивается шламовыми насосами на сооружения его обработки: сгустители для уплотнения или на сооружения обезвоживания. Осветленная вода перекачивается насосами в голову сооружений. Насосы и трубопроводы промывных вод и осадка проверяются на форсированный режим работы фильтровальных сооружений. Резервуары и отстойники располагаются на территории водоочистного комплекса невдалеке от зала фильтров. Верхняя отметка уровня воды в резервуарах и отстойниках рассчитывается из условия самотечного перетекания промывных вод из канала фильтровального сооружения. Не допускается подтопление канала в период промывки. Отстойники и резервуары располагаются в полузаглубленном здании. Насосная станция с насосами для перекачивания воды из резервуаров и насосами для откачивания осадка располагается в едином комплексе с резервуарами. Пример типовой станции оборота промывных вод станции обезжелезивания с отстойниками периодического действия производительностью 5 тыс. м3/сут показан на рис. 11.3. Сооружения состоят из резервуаров-отстойников 1 и примыкающей к ним насосной станции 2. Конструкции сооружений заглублены и обвалованы землей. Для соблюдения режимов эксплуатации отстойников, фильтры на станции промываются поочередно через равные промежутки времени, промывная вода самотеком направляется в отстойники по трубопроводу 3. Если в период отстаивания приходит очередь промывки следующего фильтра, то промывные воды от него сбрасываются в другой резервуар. В отстойниках вода находится не менее 4 часов. Отстоянная вода перекачивается в голову основных сооружений насосами 4 по трубопроводу 5. Осадок направляется на обработку шламовыми насосами 6 по трубопроводу 7. Рис. 10.3. Сооружения обработки промывных вод с отстаиванием: а) - план; б) разрез 1-1; 1 - резервуары-отстойники; 2 - насосная станция; 3 - промывная вода от фильтров; 4 - насосы осветленной воды; 5 - трубопровод возврата воды на фильтры; 6 - шламовые насосы; 7 - на сооружения обработки шлама; 8 - приямок; 9 - в канализацию; 10 - перелив; 11 - кран подвесной; 12 - стояк прочистки шламопровода Дно резервуара выполнено со стенками, наклоненными под углом 450 к горизонту для сползания выпавшего осадка. Отстоянная вода отбирается дырчатым трубопроводом диаметром 150 мм, проложенным на уровне перехода вертикальных стен отстойника в наклонные, в примере это соответствует отметке -0,5 м. Трубопровод имеет 39 отверстий диаметром 20 мм, расположенных с шагом 150 мм. Отстойники оборудованы переливными трубопроводами, а насосная станция приямком 8 и дренажным трубопроводом 9. В насосной станции установлен кран подвесной ручной однобалочный грузоподъемностью 500 кг. Сооружения такого типа имеются на ряде станций обезжелезивания Дальнего Востока, в частности в п. Магдагачи Амурской области и на водопроводных сооружениях г. Корсакова Сахалинской области. При обезжелезивании с применением реагентов, происходит интенсивное осветление промывной воды и уплотнение осадка, поэтому возврат отстоянной воды на фильтры обычно не ухудшает качество фильтрата. Очистка промывных фильтров обезжелезивания отстаиванием в отстойниках имеет существенные недостатки. При безреагентном обезжелезивании воды, осаждение осадка промывной воды происходит с незначительной скоростью, четкой границы между зоной осаждения и осадком не наблюдается. Даже через 6 часов в отстоянной воде остается свыше 40% железа и взвешенных веществ. Возврат такой воды в голову сооружений резко ухудшает качество воды на выходе из водоочистного комплекса, особенно при одноступенном фильтровании. Для предотвращения ухудшения качества обезжелезивания воды при возврате промывных вод, содержание железа в них после отстойников не должно превышать 0,6 мг/л. Без обработки промывных вод реагентами такого эффекта удаления взвеси железа из них не достигнуть. Для улучшения осветления промывных вод рекомендуется применение коагуляции и подщелачивания. Поскольку, сброс промывных вод в отстойники происходит залпами, то в таком же режиме следует вводить и необходимые массы реагентов. Разработаны и более надежные в санитарном отношении схемы обработки промывных вод с отстаиванием. Из них наиболее перспективными представляются применение в отстойниках тонкослойных модулей и включение в схему дополнительного сооружения - фильтра с плавающей загрузкой или иного типа. В последние годы водоканалами все чаще принимаются решения по глубокой очистки промывных вод фильтров на специальных водоочистных сооружениях до питьевого стандарта, которые направляются в РЧВ или вновь используются для промывки фильтров. 10.2. Расчет сооружений обработки промывных вод Расчет сооружений по обработке промывных вод сводится к определению числа и размеров резервуаров-отстойников, или отстойников периодического действия, подбору насосов для перекачивания воды в голову сооружений и осадка, определению диаметров трубопроводов и определению отметок всех элементов. Объем каждого отстойника складывается из объема зоны осветления Wосв, объема защитной зоны Wзащ и объема зоны накопления и уплотнения осадка Wос. Первых два объема располагаются в вертикальной части отстойника, последний - в конусной. Объем зоны осветления, м3, должен быть не менее объема воды, необходимого для промывки одного фильтра (11.1) где  - интенсивность промывки фильтра, л/с.м2; t - продолжительность промывки, мин; f - площадь одного фильтра, м2. По определенному объему Wосв определяются размеры отстойника в плане и высота зоны осветления. Высота защитной зоны Wзащ принимается равной 0,3 - 0,4 м (в целях избежания взмучивания и захвата осадка при откачке осветленной воды). Высота зоны накопления осадка получается путем геометрического построения, с учетом наклона стен этой зоны под углом 450 к горизонту. После ее определения, вычисляется объем конусной части отстойника - зоны накопления осадка Wос. Рассчитывается объем осадка от одной промывки, принимая его влажность равной 99% при осветлении природных вод и реагентном обезжелезивании и 96,5% - для станций безреагентного обезжелезивания. Вычисляется продолжительность накопления осадка в осадкоуплотнителе при многократном периодическом наполнении отстойников, которая не должна быть менее 8 ч. Число отстойников n должно быть не менее двух и определяется по формуле , (11.2) где N - число фильтров на станции; t - период пребывания промывных вод в отстойнике, ч; nпр - число промывок каждого фильтра в течение суток; Tсут - продолжительность работы станции в течение суток, обычно Tсут = 24 часа. Период пребывания промывных вод в отстойнике складывается из отрезков времени на операции, отраженные в таблице 11.1. Таблица 11.1 Продолжительность операций отстаивания промывной воды Операция обработки воды в отстойнике Обозначение Рекомендуемый отрезок времени, ч Прием промывной воды t1 0,08 - 0,12 Отстаивание t2 4 Откачка осветленной воды t3 1 - 2 Откачка осадка t4 1 Резерв времени на переключения t5 0,15 - 0,3 Период пребывания промывных вод t =  ti  6,3 - 7,4 Количество взвешенных веществ, поступающих в отстойники или отстойники-усреднители за сутки, г, находится по формуле , (11.3) где Со, Сф – содержание взвешенных веществ соответственно в поступающей на фильтры воде и фильтрате, мг/л, Q - полная производительность станции, м3/сут; Количество железа, выпадающего в осадок за сутки на станциях обезжелезивания, в условном сухом веществе в расчете на Fe(ОН)3, кг/сут, равно , (11.4) где Q - полная производительность станции, м3/сут; Fe - концентрация железа в воде, мг/л; 56 - атомный вес железа; 107 - молекулярный вес гидроокиси. Объем влажного осадка, выпадающего за сутки, м3/сут, определяется из выражения , (11.5) где р - влажность осадка, %, принимаемая равной 99 % для реагентного осветления или обезжелезивания воды и 96,5% - для безреагентного. Продолжительность нахождения осадка Тос, сут, в зоне уплотнения отстойника составляет и должна быть не менее 0, 3 суток, а обычно составляет до 14 суток. Отметка верхнего расчетного уровня воды в отстойнике должна быть ниже отметки кармана фильтра станции очистки воды на величину потерь напора в трубопроводе сброса промывной воды на сооружения при расчетном расходе на промывку одного фильтра. Производительность насоса возврата осветленной воды на фильтры qосв, м3/ч, и насоса перекачки шлама на обезвоживание qос, м3/ч, определяются из выражений , (11.6) , (11.7) Напоры насосов определяются в результате гидравлических расчетов, диаметры трубопроводов назначаются по рекомендуемым скоростям движения воды 1,5 - 2,0 м/с. Вопросы для самопроверки. 1. Какие технологии рекомендуются для обработки промывных вод? 2. Какой объем воды должен вмещать резервуар-усреднитель? 3. Как устроены резервуары-усреднители промывных вод? 4. Какие конструктивные отличия отстойников промывных вод и резервуаров-усреднителей? 5. Какие технологические операции предусматриваются при использовании отстойников промывных вод? 11. Конструирование и размещение фильтровальных сооружений Безнапорные фильтры выполняются, как правило, бетонными с внутренней облицовкой стен. Толщина стен принимается 0,15 – 0,5 м в зависимости от размера фильтра. Внутренняя поверхность стен отделывается кафельными плитками. Желоба выполняются железобетонными или металлическими. Для выравнивания кромок рекомендуется устанавливать водосливные доски с зубчатыми (треугольными или прямоугольными) водосливами. Для выпуска воздуха из дренажной системы на коллекторах (в каналах) устанавливают воздухоотводчики (воздушники) диаметром 75 -100 мм с запорной арматурой или автоматическими устройствами выпуска воздуха. При площади до 50 м2 устраивается один воздушник, при большей пощади – два, в начале и конце коллектора. Для полного опорожнения фильтра предусматривают отдельный трубопровод диаметром 100 - 200 мм с задвижкой, который размещают в нижней, придонной части корпуса и выводится в промышленную канализацию. Каждый фильтр оборудуется трубопроводами, обеспечивающими подачу и отвод воды при всех режимах эксплуатации и оборудованные задвижками и поворотными затворами. Диаметры трубопроводов определяются гидравлическим расчетом по расходу и рекомендуемой скорости. Диаметры трубопроводов, обслуживающих каждый фильтр рассчитываются при форсированном режиме, т.е. при отключении одного фильтра на промывку. Расчеты рекомендуется вести в табличной форме (см. табл. 12.1) Таблица 11.1 Гидравлический расчет трубопроводов Назначение трубопровода Формула для расчета расхода, л/с Рекомендуемая скорость, м/с Диаметр труб, мм Расчетная скорость, м/с Подача воды на все фильтры 0,8 – 1,2 Подача воды на один фильтр ≤ 1,5 Отвод фильтрата от одного фильтра ≤ 1,5 Отвод фильтрата от всех фильтров 0,8 – 1,2 Подача промывной воды ≤ 2,0 Отвод грязной промывной воды 1,5 – 2,0 Опорожнение фильтра - 100 - 200 Фильтры размещаются в специальном фильтровальном зале или вместе с осветлителями (вертикальными отстойниками) в один или два ряда. Соседние в ряду фильтры обычно примыкают друг к другу боковыми стенками, так, чтобы боковые каналы выстраивались в линию. При двухрядном размещении фильтры располагают боковыми каналами напротив друг друга, оставляя между ними проход (галерею), в котором размещаются трубопроводы. У фильтров с центральными каналами торцы каналов размещают внутрь галереи. У фильтров с центральным каналом иногда трубопровод отвода промывной воды прокладывается с противоположной от галереи стороны. Зал фильтров обычно имеет два этажа. Пол второго этажа устраивается на отметке на 0,3 – 1 м ниже верха фильтров, чтобы можно было наблюдать за режимом промывки. Если зал одноэтажный, на такой же отметке вокруг фильтров устраиваются наблюдательные площадки. Трубопроводы размещают на удобной для прокладки и регулирования задвижек высоте. Магистральный трубопровод подачи воды на промывку располагают ниже желобов фильтров. Трубопроводы отвода промывной воды и опорожнения фильтра располагают в самом низу. Трубопровод подачи воды на очистку удобно размещать под перекрытием, разделяющим этажи, выведя на второй этаж шпиндели задвижек. Магистральный воздуховод прокладывается на 2-3 м выше максимального уровне воды в фильтре и опускается вертикально в каждый фильтр. Компрессоры для подачи воздуха размещают в зале фильтров на первом этаже. Насосы для промывки фильтров или для восполнения промывного запаса башни размещают в зале фильтров на первом этаже или в насосной станции второго подъема, если она расположена вблизи зала фильтров. Примерная планировка первого и второго этажей зала фильтров приведена на рисунках 12.1 и 12.2. Связь между этажами осуществляется лестницей. 12 МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВОДЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ В подавляющем большинстве поверхностных вод (для подземных вод эта проблема стоит менее остро, однако не снимается совсем) обитают различные микроорганизмы – бактерии, вирусы, простейшие, а также микроскопические водоросли и грибки. Среди них встречаются как безвредные для здоровья человека, так и способные вызывать заболевания (подчас смертельно опасные). Последние принято называть болезнетворными, или патогенными. Инфекционные болезни, вызываемые патогенными бактериями, вирусами и простейшими или паразитарными агентами, представляют собой наиболее типичный и широко распространенный фактор риска для здоровья, связанный с питьевой водой. Кроме того, существует множество разновидностей микроорганизмов, наличие которых у человека или животного еще не означает существование инфекционного заболевания. Однако под влиянием различных внутренних и внешних факторов такие микроорганизмы из безвредных для человека могут превратиться в опасные. Подобные ситуации могут возникнуть в частности при лечении многими препаратами (прежде всего антибиотиками), которые нарушают установившееся равновесие микробной флоры. Такие микроорганизмы выделены в группу условно-патогенных организмов. Известно, что инфекционные заболевания передаются главным образом через человеческие экскреты, особенно через фекалии. Если в сообществе есть носители какого-либо заболевания, то будет иметь место загрязнение болезнетворными микроорганизмами природных вод, в том числе служащих источниками водоснабжения. При использовании такой воды для питья, приготовления пищи и даже при вдыхании аэрозолей в ванной может произойти инфицирование. В связи с этим перед производителями питьевой воды стоит задача обеспечения ее эпидемической безопасности, т. е. достаточной очистки и обеззараживания. Для решения названной задачи, помимо совершенствования технологических процессов обработки воды, необходим адекватный контроль качества воды как на стадии производства, так и на различных этапах подачи ее потребителю. К сожалению, ни один из современных методов обработки воды не обеспечивает 100-процентной очистки воды от микроорганизмов (наиболее близкими к идеалу остаются только дистилляция и обратный осмос). Но даже если предположить, что система водоподготовки и обеспечит абсолютное удаление из воды всех микроорганизмов, то остается большая вероятность вторичного загрязнения воды при ее транспортировке по трубам распределительной сети, при хранении в емкостях, при контакте с атмосферным воздухом и т. д. Санитарными нормами и правилами не ставится труднодостижимая цель доведения воды по микробиологическим показателям до стерильного качества (отсутствие всех микроорганизмов). Задача состоит в том, чтобы определить и удалить (или инактивировать) наиболее опасные для здоровья человека микроорганизмы, присутствие которых в питьевой воде должно быть исключено, а также разработать систему нормативов, позволяющих оценить степень безопасности воды в микробиологическом отношении. Поскольку прямое обнаружение патогенных микроорганизмов трудоемко, длительно и дорого, микробиологи выявляют индикаторные, санитарно-показательные микроорганизмы. В настоящее время выделено несколько микроорганизмов и групп санитарно-показательных микроорганизмов, в наибольшей степени отвечающих этим критериям. Среди них широко применяемым и надежным показателем фекального загрязнения являются колиформные микроорганизмы. Особенность семейства Enterobacteriaceae, куда входят многочисленные кишечные палочки, состоит в том, что оно включает не только обитателей кишечных полостей, но и фитопатогенные, эпифитные виды, а также виды с дискуссионной экологией. Основным документом, определяющим гигиенические требования к качеству питьевых вод, является СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» [1]. Нормативы безопасности питьевой воды СанПиНом 2.1.4.1074-01 установлены по микробиологическим и паразитологическим показателям, представленным в табл. 12.1. Таблица 12.1 Микробиологические и паразитологические показатели питьевой воды Показатели Единицы измерения Нормативы Термотолерантные колиформные бактерии Число бактерий в 100 мл Отсутствие Общие колиформные бактерии Число бактерий в 100 мл Отсутствие Общее микробное число Число образующих коло­нии бактерий в 1 мл Не более 50 Колифаги Число бляшкообразующих единиц (БОЕ) в 100 мл Отсутствие Споры сульфитредуцирующих клостридий Число спор в 20 мл Отсутствие Цисты лямблий Число цист в 50 л Отсутствие При исследовании микробиологических показателей качества питьевой воды в каждой пробе проводится определение термотолерантных колиформных бактерий, общих колиформных бактерий, общего микробного числа и колифагов. Более обширные микробиологические анализы проводят при обнаружении в воде этих микроорганизмов. Контроль присутствия колифагов и цист лямблий рекомендован для воды централизованного водоснабжения из поверхностного источника, спор клостридий – для оценки эффективности удаления хлорустойчивых микроорганизмов. Определение спор клостридий проводится при оценке эффективности технологии обработки воды. Обеззараживание воды на водопроводных станциях обычно проводится на двух этапах ее обработки: – первичное обеззараживание перед поступлением воды на очистные сооружения. Проводится для предотвращения бактериальных обрастаний сооружений, трубопроводов, фильтрующего материала. Иногда первичное обеззараживание не производится; – вторичное (заключительное) обеззараживание проводится перед подачей очищенной воды в водопроводную сеть населенного места. Заключительному обеззараживанию подвергается вода, обычно уже прошедшая предшествующие стадии очистки: коагулирование, отстаивание, фильтрование и другие виды обработки. Поэтому перед процессом обеззараживания большая часть микробиологических загрязнений (до 90–95 %) из воды удалена. Причем глубокое осветление и обесцвечивание воды является важнейшим фактором санитарной безопасности воды, так как большинство микроорганизмов в воде прикрепляется к частицам взвеси и коллоидов. Обеззараживание осуществляется химическими и физическими метода­ми, некоторые из них могут быть применены в бытовых условиях, другие имеют широкое распространение в централизованном водоснабжении. К физическим методам обеззараживания относятся: – кипячение; – ультразвуковое воздействие; – ультрафиолетовое облучение; – ионизирующее облучение. Химические методы обеззараживания: – обработка воды сильными окислителями: озоном, хлором, хлорагентами, перманганатом калия, йодом, пероксидом водорода, бромом; – олигодинамия (воздействие ионами тяжелых металлов – серебра, меди и других). Эффективность обеззараживания воды различными веществами и физическими воздействиями во многом зависит от свойств воды и биологических особенностей микроорганизмов – их устойчивости к этим воздействиям. 12.1. Обеззараживание воды жидким хлором Свойства хлора Хлор (лат. Chlorum), Cl, химический элемент VII группы периодической системы Менделеева, относится к группе гало­генов, в которую входят одновременно фтор, бром и йод. Хлор получен впервые в 1774 г. К. Шееле в результате взаимодействия соляной кислоты с пиролюзитом MnO2. Однако только в 1810 г. Дэви установил, что хлор – элемент, и назвал его chlorine (от греч. chlorós – жёлто-зелёный). Относительная атомная масса хлора – 35,453, относительная молекулярная масса – 70,906. Молекула хлора двухатомна (Cl2). Во всех технических расчетах принимают обычно относительную атомную массу хлора, равную 35,5, и относительную молекулярную мас­су – 71,0. Хлор при обычной температуре и атмосферном давлении представ­ляет собой желтовато-зеленый газ с резким раздражающим запахом. Он легко сжижается при температуре минус 34,05 °С и давлении 101,3 кПа, образуя маслянистую жидкость желтовато-зеленого цвета, затвердевающую при температуре минус 101 °С. Твердый хлор – это бледно-желтые ромбические кристаллы. В природе хлор в свободном состоянии не встречается, но широко распространен в виде разнообразных соединений, главным образом хлорида натрия (NaCl), реже в виде минералов сильвина, сильвинита (КСl, NаСl) и др. В виде иона Cl– он содержится в Мировом океане (1,93 %), подземных рассолах и соляных озёрах. В промышленности хлор получают электрохимическими и химиче­скими методами. Почти весь объем мирового производства хлора приходится на электрохимические способы их получения. В индустриальных странах до 5–15 % от общей выработки хлора приходится на санитарные нужды и хлорирование воды. Плотность сухого газообразного хлора при 0 °С и давлении 101,3 кПа равна 3,214 кг/м3. Газообразный хлор тяжелее воздуха почти в 2,5 раза. Массовая плотность жидкого хлора при температуре 0 °С составляет 1,468 кг/л. Она возрастает при повышении давления и понижении температуры. Химически хлор очень активен, непосредственно соединяется почти со всеми металлами (с некоторыми только в присутствии влаги или при нагревании). Сталь, а также некоторые металлы стойки в атмосфере сухого хлора в условиях невысоких температур, поэтому их используют для изготовления аппаратуры и хранилищ для сухого хлора. Смесь хлора с водородом горит бесцветным или жёлто-зелёным пламенем с образованием хлористого водорода. Максимальная температура водородно-хлорного пламени 2200 °C. Смеси хлора с водородом, содержащие от 5,8 до 88,5 % H2, взрывоопасны. С кислородом хлор образует окислы: Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7, Cl2O8. Все кислородные соединения хлора образуют взрывоопасные смеси с легко окисляющимися веществами. Окислы хлора малостойкие и могут самопроизвольно взрываться, гипохлориты при хранении медленно разлагаются, хлораты и перхлораты могут взрываться под влиянием инициаторов. В воде хлор гидролизуется, образуя хлорноватистую и соляную кислоты: Cl2 + H2O = HClO + HCl. При взаимодействии аммиака с хлором образуется трихлорид азота NCl3. Трихлорид азота является крайне нежелательной и опасной примесью в хлоре, так как является взрывчатым веществом, обладающим чрезвычайно высокой чувствительностью к удару, трению и нагреванию. Наличие в хлоре трихлорида азота может послужить причиной хлопков и сильных взрывов трубопроводов, аппаратуры (ресиверов, испарителей жидкого хлора) и тары для хранения и транспортирования жидкого хло­ра. Детонационный взрыв жидкого трихлорида азота может вызвать перенапряжение и трещины в емкостях хлора с толщиной стенки 10–12 мм. Хлопки и взрывы в хлорном хозяйстве водопроводов и канализаций сопровождаются, как правило, выбросом больших количеств хлора в ок­ружающую среду. ГОСТ 6718-93 допускает содержание трихлорида азота в жидком хлоре высшего и первого сортов соответственно не более 0,002 и 0,004 % по массе. Хлор является сильнодействующим ядовитым веществом (СДЯВ), оказы­вающим общетоксическое и раздражающее воздействие, а также вызы­вающим химические ожоги. Хлор может поступать в организм через ор­ганы дыхания и кожный покров. Чувствительность к хлору различна у разных людей и зависит прежде всего от концентрации хлора в воздухе и продолжительности пребывания человека в зараженной зоне. Органами здравоохранения установлены следующие предельно до­пустимые концентрации (ПДК) хлора: в воздухе рабочей зоны производ­ственных помещений – 1 мг/м3 (класс опасности 2); в атмосферном воз­духе населенных пунктов максимальная разовая и среднесуточная соот­ветственно 0,1 и 0,003 мг/м3. Хлор относится к удушающим ядам. Он вы­зывает резкое раздражение слизистых оболочек глаз, а также верхних и глубоких дыхательных путей и легких. Проникая в глубокие дыхатель­ные пути, хлор поражает легочную ткань, вызывая отек легких. В зави­симости от концентрации хлора отравления могут быть различными. Отравление человека высокими концентрациями хлора приводит к смерти, которая наступает через несколько минут после вдыхания газа. При вдыхании воздуха со средними и низкими концентрациями хло­ра у человека может развиться токсический отек легких. У пострадавших наблюдаются слезотечение, жжение глаз, насморк, чувство сильного сдавливания в груди, одышка, беспрерывный или приступообразный су­хой кашель, синюшность. Отмечается сильное возбуждение или подав­ленность. Наиболее часто в производственных условиях возможны случаи лег­ких отравлений хлором. При этом наблюдается покраснение конъюнкти­вы, мягкого неба, гортани и приступы, напоминающие бронхиальную астму. У людей, в течение нескольких лет работающих в атмосфере, содер­жащей небольшое количество хлора, наблюдается раздражение глаз и дыхательных путей. У некоторых хлор вызывает острые дерматиты с по­тением, покраснением и отечностью. Иногда дерматит может перейти в экзему. 12.2. Химизм хлорирования воды При растворении в воде хлор реагирует с ней согласно уравнению  . (2.1) Одновременно протекает вторичная реакция  . (2.2) Направление этих реакций зависит от рН воды. При рН < 2 весь хлор находится в молекулярной форме Cl2. При рН = 5 молекулярный хлор полностью исчезает, превращаясь в хлорноватистую кислоту HClO. При рН = 10 хлор переходит в форму гипохлорит-иона ClO-. В промежутке значений рН от 5 до 10, что обычно наблюдается в обрабатываемой воде, имеется смесь хлорноватистой кислоты и гипохлорит-ионов. На рис. 2.1 показано соотношение между различными видами существования хлора в зависимости от рН воды. Рис. 12.1. Формы существования хлора в воде Хлорноватистая ки­слота HClO имеет более сильные окислитель­ные свойства, нежели гипохлорит-ионы ClO-. Поскольку с повышением рН снижается доля хлорноватистой кислоты, то снижается бактерицидность хлора в воде и увеличивается время, необходимое для контакта хлора с обрабатываемой водой. Исследования показали, что время, необходимое для снижения концентрации живых бактерий Coli на 99 % при дозе свободного хлора 0,1 мг/л, возрастает от 6 до 180 мин при увеличении значения рН от 6 до 11. Поэтому обработку воды хлором желательно проводить до введения в воду щелочных реагентов 2. При обеззараживании воды хлором происходит одновременно окисление различных примесей, например гуминовые вещества минерализуются до СО2, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного, а марганец до четырехвалентного, разрушаются некоторые коллоиды. По этой причине хлорирование воды создает благоприятные условия для ее осветления и фильтрования. Иногда хлорирование приводит к образованию сильно пахнущих соединений хлора. Особенно устойчивые и неприятные запахи появляются при хлорировании воды, содержащей фенолы и другие ароматические соединения. Иногда для борьбы с запахами прибегают к хлорированию большими дозами, разрушающими ароматические соединения. При наличии в воде аммиака или аммонийных солей образуются монохлорамины NH2Cl и дихлорамины NHCl2, также обладающие бактерицидными свойствами, но значительно более слабыми, чем свободный хлор. При хлорировании грязной воды, содержащей в значительных концентрациях органику, существует опасность образования токсичных и канцерогенных веществ. Для избежания этой опасности хлорируют очищенную воду, а при первичном хлорировании уменьшают дозы хлора и время прохождения хлорированной воды в очистные сооружения. Контроль за содержанием хлорорганики в очищенной воде ведется по концентрации хлороформа, ПДК которого в питьевой воде составляет 0,2 мг/л 1. Хлор, находящийся в воде в виде Cl2, HClO, ClO–, называется свободным хлором, связанный в хлорамины NH2Cl и NHCl2 – связанным хлором. Сумма свободного и связанного хлора называется активным хлором. Количество активного хлора, оставшееся в воде после завершения обеззараживания и реакций окисления, называется остаточным хлором. Санитарными правилами и нормами 1 величина остаточного свободного хлора регламентируется в пределах 0,3–0,5 мг/л, остаточного связанного – 0,8–1,2 мг/л при времени контакта с водой свободного хлора не менее 30 минут, связанного хлора – не менее 60 минут 1. График зависимости концентрации остаточного хлора от дозы введенного в воду хлора называется кривой хлоропоглощаемости. При наличии в воде аммонийных солей она имеет вид, приведенный на рис. 2.2. До точки А дозирование хлора ведет к росту хлораминов. Далее начинается окисле­ние хлораминов и вследствие этого падение концентра­­ции оста­точного активного хлора. По окончании окисления хлораминов начнется рост концентрации остаточного хлора, причем он весь будет высокоактивным свободным хлором. Для повышения надежности обеззараживания воды лабораторным путем строят кривую хлоропоглощаемости и дозу хлора принимают за ее точкой перелома (рис. 2.2, точка Б). Дозу активного хлора для обеззараживания воды следует устанавливать на основании данных технологических изысканий. При их отсутствии для предварительных расчетов следует принимать дозу хлора для поверхностных вод после фильтрования 2–3 мг/л, для вод подземных источников – 0,7–1 мг/л. Процесс обеззараживания воды хлором проходит в два этапа – сначала активный хлор проникает через оболочку внутрь клетки микроорганизмов, затем окисляет внутриклеточное вещество. Время, необходимое для прохождения этих процессов, зависит от температуры воды, концентрации хлора и других факторов. По нормам при обеззаражива­нии воды свободным хлором время его контакта с водой должно состав­лять не менее 30 минут, связанным хлором – не менее 60 минут 3. Различные патогенные микроорганизмы обладают при обычных дозах и времени контакта различной устойчивостью к хлору. Низкая устойчивость: патогенные агенты уничтожаются полностью, к ним относятся практически все бактерии. Средняя устойчивость: патогенные агенты могут быть уничтожены не полностью, к ним относятся вирусы гепатита А и часть простейших (по данным Руководства по контролю качества питьевой воды Всемирной организации здравоохранения). 12.3. Технология применения жидкого хлора для обеззараживания воды На водопроводную станцию жидкий (сжиженный) хлор доставляется в металлических сосудах: баллонах или контейнерах. На станции производится хранение, испарение хлора, приготовление хлорной воды и дозирование ее в обрабатываемую воду. Хранение хлора производится в транспортной таре, которая после использования возвращается на завод-изготовитель. При небольших расходах хлора используют баллоны, они являются наиболее простыми по устройству и конструкции сосудами для перевозки и хранения хлора (рис. 2.3). Баллоны изготовляются в соответствии с ГОСТ 943-73 «Баллоны стальные малой и средней емкости для газов с рабочим давлением менее 20 МПа». Материалом для изготовления служат бесшовные трубы из качественной углеродистой стали. Из широкого ассортимента баллонов средней емкости для заполнения жидким хлором в России применяются обычно баллоны емкостью 40 и 50 л, при обычных температурах в складах их вместимость по хлору составляет 50 и 62 кг. Горловина баллона имеет одно отверстие для ввертывания в него запорного вентиля с условным проходом 5 мм. Баллоны для жидкого хлора поставляются заводами-изготовителями с вентилями и стальными сифонными трубками. Положение баллона при его опорожнении (вверх вентилем или вниз вентилем) определяется наличием сифонной трубки. Контейнеры (бочки), используемые в России, представляют собой цельносварные сосуды с эллиптическим днищем и бандажами, кольцевой опорой для обеспечения устойчивости в вертикальном положении и стропальными кольцами для подъема и переноса. В верхнее днище кон­тейнера вварена бобышка с двумя отверстиями для ввертывания запор­ных вентилей с изогнутыми сифонными трубками. Емкость хлорного контей­нера составляет 800 л (около 1000 кг жидкого хлора). Основ­ным конструкционным мате­риалом для контейнеров слу­жит низколегированная мар­ганцовистая сталь. Кон­тейнеры рассчитаны на проч­ность при расчетном давлении 1,5 МПа и температуру стенок ± 50 °С. Толщина стенок при­нята равной 10 мм. Масса пустого контейнера составляет около 400 кг. В России в обороте находятся контейнеры различ­ных производителей: Рузаевского завода химического машиностроения (РЗХМ) (рис. 2.4), Курганского за­вода химического машиностро­ения, Дзержинского завода химического машиностроения, а также кон­тейнеры производства Польши. Емкости с хлором хранят в специальном помещении – расходном складе, обычно примыкающем к зданию хлораторной, но отделяемом от остальных помещений глухой стеной без проемов. Для растворения хлора в воде его предварительно превращают в газ – испаряют. Испарение хлора производят в транспортной таре (баллонах или контейнерах) или в специальных устройствах – испарителях. При испарении хлора должны быть соб­лю­­дены требования правил ПБ 09-594-03 3: – опорожнение хлорной тары должно производиться до остаточного избыточного давления не менее 0,05 МПа, что соответствует содержанию в контейнере не менее 5–6 кг хлора; – при возврате тары на заводах-наполнителях перед каждым наполнением производится вакуумирование, внутренний осмотр с последующей продувкой сжатым воздухом, а в необходимых случаях и очистка внутренней полости баллонов и контейнеров. Это позволяет избежать накопления треххлористого азота; – скорость отбора хлоргаза из тары должна быть ограничена, чтобы не допускать переохлаждения металла корпуса тары. Требуемая интенсивность испарения отбираемого из тары хлоргаза должна обеспечиваться теплопритоком из окружающего воздуха через стенку тары за счет естественной или принудительной конвекции (подтверждается расчетом, согласованным со специализированной организацией); – технология отбора должна исключать обмерзание сосуда; – количество одновременно подключенных сосудов не должно быть более двух. По данным расчетов, выполненных в российском центре «Хлорбезопасность», а также по данным зарубежных источников известно, что при температуре воздуха в складе хлора не ниже 18–20 °С скорость отбора хлоргаза из баллонов и контейнеров может составлять значение, определяемое как 1 % от начальной массы жидкого хлора в таре (в килограммах в час). Для контейнера с содержанием жидкого хлора 1000 кг расход хлоргаза может составлять около 10 кг/ч, а для баллонов – 0,5–0,6 кг/ч. При соблюдении этих условий не будет происходить обмерзание наружных стенок тары. Поэтому при испарении хлора в баллонах максимальная производительность хлораторной не превышает 1,2 кг хлора в час. При производительности хлораторной до 15–20 кг/ч возможен отбор хлора из двух параллельно подключенных кон­тейнеров, при этом необходимый теплоприток (к жидкому хлору) обеспечивается за счет естественной конвекции при условии поддержа­ния в помещении склада температуры воздуха на уровне +18 °С. Безопасная интенсификация отбора хлоргаза из контейнеров возможна при использовании трех способов: 1) повышения температуры воздуха в помещении склада (где располагаются сосуды); 2) увеличения коэффициента теплопередачи от источника тепла к жидкому хлору; 3) комбинированного метода с использованием одновременно первых двух способов. Поскольку поддерживать температуру воздуха в складе хлора (хлораторной) выше 18–20 °С нежелательно, то применяют способы увеличения эффективности использования имеющегося теплового напора (разности температур между воздухом помещения и жидким хлором) за счет повышения коэффициента теплопередачи от воздуха помещения к жидкому хлору через стенку контейнера. С этой целью применяют обдув воздухом наружной поверхности контейнера. Основное условие достижения максимального эффекта – создание так называемых настилающихся струй на поверхности стенки контейнера при поперечном обдуве его струей вдоль продольной оси контейнера. Для предотвращения обмерзания контейнера и возникновения температурных напряжений воздух от вентилятора подается таким образом, чтобы активному обдуву подвергалось не менее 70 % поверхности контейнера. В этом случае производительность хлораторной можно повысить до 100 кг/ч. При расходе хлора более 15 кг/ч испарители рекомендуется применять, а при расходе более 100 кг/ч применяются всегда, так как скорость отбора хлора в жидком виде из контейнера практически не ограничивается. Из одного контейнера можно отбирать более 100 кг/ч жидкого хлора. В этом случае ограничивается только скорость движения жидкого хлора в трубопроводах (не более 1 м/с). Принципиальная схема хлораторной с испарением хлора в транспортных сосудах приведена на рис. 2.6, а, а с применением испарителей – на рис. 2.6, б. По последней схеме работает хлораторная головных очистных сооружений водопровода г. Хабаровска. На рис. 2.6 показано только основное оборудование. В приведенных примерах склад хлора примыкает к хлордозаторной. Баллоны или контейнеры хранятся на складе, два из них используются для получения хлоргаза и располагаются на весах для контроля за расходом хлора, каждый сосуд находится на своих весах. В схеме с испарением в сосудах (рис. 2.6, а) в хлордозаторную поступает хлоргаз. Далее хлоргаз проходит баллон-грязевик и фильтр, где происходит отделение от газа капель хлора и прочих примесей. Очищенный хлор поступает в дозатор хлора, откуда отсасывается с помощью эжектора. В эжекторе и далее в трубопроводе происходит смешение и растворение хлора, полученная хлорная вода вводится в обрабатываемую воду в точки, предусмотренные технологией очистных сооружений. В этой схеме отбор хлора ограничен во избежание обмерзания сосудов и по другим причинам, описанным выше. Достоинствами этой схемы приготовления хлора по сравнению с другими являются меньшее число единиц трубопроводов, меньшая длина хлоропроводов. В хлоропроводах транспортируется газ, а не жидкий хлор, поэтому при их повреждении будет утечка меньшей массы хлора. В схеме на рис. 2.6, б жидкий хлор из сосудов под давлением поступает в испаритель, где превращается в хлоргаз. Дальнейший путь хлора полностью аналогичен пути, описанному для схемы с испарением в сосудах. В этой схеме нет опасности обмерзания оборудования с хлором и нет ограничений по отбору хлора, поэтому данная схема всегда применяется на станциях обработки воды с большим расходом хлора. Рис. 12.6. Принципиальные схемы хлораторных: а – с испарением хлора в сосудах; б – с применением испарителей; 1 – весы; 2 – контейнеры с хлором; 3 – испаритель; 4 – промежуточный баллон-грязевик; 5 – фильтр; 6 – хлоратор; 7 – эжектор; 8 – вода для работы эжектора; 9 – хлорная вода Испарение хлора здесь производится в специальных испарителях жидкого хлора с внешним или внутренним обогревом, схемные и конструктивные решения которых отличаются большим разнообразием. Различают следующие основные виды конструктивного исполнения испарителей жидкого хлора: вертикальный цилиндр с обогревающей рубашкой; змеевиковый (трубный змеевик, или U-образная труба в кожухе с теплоносителем); концентрические трубы (труба в трубе) и др. Отечественной промышленностью выпускаются испарители типа ИЖХ-12,5 и ИЖХ-50, имеющие производительность соответственно 12,5 и 50 кг/ч по испаренному хлору (рис. 2.7). Теплообменный элемент этих испарителей выполнен в виде U-образной трубы, опущенной в емкость с водой, которая нагревается с помощью тепловых электрических элементов (ТЭН) до температуры 682 °С. Технические характеристики испарителей приведены в табл. 2.1. Таблица 12.1 Основные характеристики испарителей хлора Показатель Тип хлоратора ИЖХ-12,5 ИЖХ-50 А475В «Уоллес и Тирнен» (Англия) Производительность по хлору, кг/ч 2–12,5 10–50 100 Установленная мощность, кВт 2,5 5,0 4,0 Температура теплоносителя, °С 68 2,0 – Габариты: длина   ширина  высота, мм 5403741538 7706001585 8608751725 Масса, кг 90 180 300 В этих испарителях обеспечивается автоматическое поддержание заданного уровня температуры теплоносителя, автоматический конт­роль наличия хлора в теплоносителе, а также защита от превышения давления испаренного хлора путем отключения ТЭНов. В настоящее время на водопроводных станциях внедряются также испарители зарубежного производства, имеющие более совершенную защиту от выбросов хлора. Хлораторы служат для дозировки газообразного хлора, смешения его с водой и подачи хлорной воды к месту потребления. По характеру работы хлораторы подразделяются на аппараты постоянного и периодического действия, по принципу действия все они – вакуумные. «Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора» 3, 4 содержат следующие требования к хлораторам, используемым для хлорирования воды. Хлораторы должны обеспечивать: – поддержание постоянного вакуума после вакуумного регулятора (перед ротаметром и вентилем (клапаном) для регулирования расхода хлора); – защиту от недопустимо высокого вакуу­ма и от проникновения воды в хлоропровод и расходомер; – автоматическое отключение подачи хлора при прекращении подачи питающей воды в эжектор. В России выпускаются и применяются хлораторы вакуумного типа ЛОНИИ-100КМ, АХВ-1000 и ХВ-1, по своим конструкционным решениям аналогичные хлораторам ЛОНИИ-100КМ [5] (рис. 2.8, табл. 2.2). Таблица 12.2 Технические характеристики хлораторов Характеристика Тип хлоратора ЛОНИИ-100КМ АХВ-1000 ХВ-1 Пределы регулирования производительности по хлору, кг/ч 2,05–12,8 1,0–12,8 1,5–10 Давление рабочей воды на входе эжектора, МПа 0,4–0,5 0,2 0,6 Давление хлора (газа) на входе хлоратора не более МПа 0,1–0,4 0,6 0,8 Рабочее разрежение в хлораторе не более, кПа 5 – – Расход рабочей воды при максимальном давлении воды на входе в эжектор, м3/ч 4,2 – 4,0 Масса не более, кг 18 25 10 Габаритные размеры, мм: высота 220 520 380 длина 100 250 250 ширина 190 670 670 Используются также хлораторы Вечерского (ХВ-11) с производительностью по хлоргазу 0,05–15,0 кг/ч и хлораторы ЛК (модели ЛК-10, ЛК-13, ЛК-17 и др.) с производительностью от 0,04 до 50 кг хлора в час. Хлораторы ЛК выпускает опытное производство ИКХХВ АН Украины. 12.4. Нейтрализация аварийных выбросов хлора Аварийные выбросы хлора представляют большую опасность как для производственного персонала очистных сооружений, так и для населения близлежащих районов, для растительного и животного мира. В соответствии с требованиями ПБ-09-594-03 выбросы от аварийной вентиляции должны направляться в систему поглощения хлора (на санитарную колонну). На водопроводно-канализационных предприятиях для нейтрализации хлора применяются растворы различных реагентов. Хлор вступает в химическое взаимодействие с реагентами с образованием соответствующих нелетучих продуктов реакции и выделением тепла. В качестве реагентов в основном используются водные растворы: • каустической соды (гидроксида натрия NaOH): 2NaOH + Cl2 = NaClO + NaCl + Н2О; (2.3) • кальцинированной соды (Na2CO3): 2Na2CO3 + Сl2 + Н2О = NaCl + 2NaHCO3 + NaClO; (2.4) • гидрата окиси кальция Ca(OH)2 2Са(ОН)2+ 2Cl2 = Ca(ClO)2 + СаCl2 + 2Н2О; (2.5) реже тиосульфата натрия (Na2S2O3) Na2S2O3 + Cl2 + Н2О = Na2SO4 + 2НСl + S. (2.6) Очистка воздуха от хлора осуществляется в хемосорбционных колоннах (скрубберах). На рис. 2.10 представлена принципиальная технологическая схема установки очистки аварийных выбросов от хлора. Рис. 2.10. Установка обезвреживания аварийных выбросов от хлора: 1 – хемосорбционная колонна; 2 – насадка; 3 – подача воздуха от аварийного вентилятора; 4 – емкость с раствором реагента; 5 – насос подачи реагента в колонну; 6 – выход очищенных газов; 7 – водоулавливатель; 8 – труба выброса газа в атмосферу; Н – высота слоя насадки; D – диаметр колонны Загрязненный хлором воздух отсасывается из помещения и направляется в хемосорбционную колонну вентилятором. Навстречу потоку хлоровоздушной смеси подается хемосорбент (водный раствор какого-либо активного реагента). Водный раствор хемосорбента распределяется по сечению колонны и растекается по насадке, образуя поверхность контакта газовой фазы, содержащей хлор, и раствора реагента, взаимодействующего с хлором. Обычно в хлораторной устанавливаются две колонны диаметром 1,2 м каждая. Высота слоя насадки составляет от 3 до 5 м. Скорость движения воздуха в скруббере следует принимать не более 1,2 м/с, интенсивность орошения не менее 20 м3/(чм2). Расход воздуха определяется по кратности вытяжки аварийной вентиляции, равной не менее 12 в час. Расход реагента определяется из стехиометрического расчета по приведенным выше реакциям с учетом разлива одного баллона или контейнера. При расчете количество реагента принимают с избытком в реакции. 12.5. Принципы проектирования хлораторных Хлораторные должны размещаться в отдельно стоящих капитальных зданиях второй степени огнестойкости. Хлораторная обычно состоит из блоков помещений: расходный склад хлора, хлордозаторная, вентиляционные камеры, вспомогательные и бытовые помещения. Вокруг склада хлора и хлораторной со складом хлора должно быть сплошное глухое ограждение высотой не менее двух метров, с глухими плотно закрывающимися воротами для ограничения распространения газовой волны и исключения доступа посторонних лиц на территорию склада. На территории склада должна быть сеть пожарного водопровода, обеспечивающая возможность работы водяной завесы и переносных распылителей воды для локализации аварии, здесь не допускается располагать оборудование, не имеющее отношение к процессу хлорирования воды. Вместимость расходного склада хлора должна быть минимальной и не превышать 15-суточного потребления водопроводной станцией. Радиус опасной зоны, в пределах которой не допускается располагать объекты жилищного и культурно-бытового назначения, составляет для складов хлора в баллонах 150 м, в контейнерах – 500 м. Допустимые расстояния от складов до производственных объектов определяются специальным расчетом (от зданий с постоянным пребыванием людей хлораторная должна быть не ближе 30 м). Хлораторные должны располагаться в пониженных местах площадки водопроводных сооружений и преимущественно с подветренной стороны преобладающих направлений ветров относительно ближайших населенных пунктов (кварталов). Расходный склад хлора следует отделять от других помещений глухой стеной без проемов, в складе должно быть два выхода с противоположных сторон помещения. Один из выходов оборудован воротами для транспортирования баллонов или контейнеров. Въезд автомобилей в помещение склада не допускается, должно быть предусмотрено грузоподъемное оборудование для транспортировки сосудов с кузова автомобиля на склад. Порожнюю тару надлежит хранить в помещении склада. Двери и ворота во всех помещениях хлораторной должны открываться по ходу эвакуации. На выходах из склада предусматриваются стационарные водяные завесы. Сосуды с хлором должны размещаться на подставках или рамках, иметь свободный доступ для строповки и захвата при транспортировании. В помещении склада хлора располагается оборудование для нейтрализации аварийных выбросов хлора. Хлордозаторные размещать в заглубленных помещениях не допускается, от других помещений они должны быть отделены глухой стеной без проемов и снабжены двумя выходами наружу, при этом один из них – через тамбур. Вспомогательные помещения хлораторных должны быть изолированы от помещений, связанных с применением хлора и иметь самостоя­тель­ный выход. Хлораторные оборудуются приточно-вытяжной вентиляцией. Выброс воздуха постоянно действующей вентиляцией из помещения хлордозаторной надлежит осуществлять через трубу высотой на 2 м выше конька кровли самого высокого здания, находящегося в радиусе 15 м, а постоянно действующей и аварийной вентиляцией из расходного склада хлора – через трубу высотой 15 м от уровня земли. В обязательном порядке в хлораторных устанавливаются газоанализаторы, подающие световые и звуковые сигналы при превышении ПДК хлора в воздухе. В России используются газоанализаторы «Грант», индикатор хлора в воздухе (ИХВ), многоканальный газоанализатор АНКАТ 7621. Многоканальная система контроля хлора (СКХ) в воздухе, выпускаемая в России, при превышении аварийного порога концентрации хлора включает аварийную вентиляцию, водяную завесу и звуковую сигнализацию. Применяются и другие аналогичные системы, выпускае­мые в России и за рубежом. На рис. 2.12 показан план хлораторной производительностью 1,2 кг/ч, проект которой выполнен для водопровода в г. Биробиджане. Рис. 2.12. План хлораторной: 1 – весы тензометрические ВТС-1,0; 2 – аппарат обезвреживания хлора; 3 – футляр для аварийных баллонов; 4 – кран-балка; 5 – хлораторы; 6 – тамбур; 7 – хлордозаторная; 8 – помещения вентиляционных камер Испарение хлора здесь производится в баллонах, далее газообразный хлор проходит через специальные фильтры и поступает в хлораторы. Для дозирования хлора применены хлораторы ESCO (США). Для обезвреживания газообразного хлора, выделяющегося при аварии, установлен аппарат «Олимп-20026», выпускаемый для хлораторных, в которых используются баллоны. Помещения приточной и вытяжной вентиляционных камер располагаются на двух этажах. Остальная часть здания выполнена одноэтажной высотой 5,4 м. 12.6. Хлорирование с аммонизацией При большой протяженности распределительной сети, транспортирующей воду с очистных сооружений, продолжительность пребывания воды в сети становится слишком большой. Содержание оста­точного суммарного хлора в магистральных сетях падает до концентраций, ниже установленных санитарными нормами, при этом свободный хлор практически исчезает, так как он расходуется на окисление металла труб и соединений, содержащихся в воде. В тупиковых точках сети хлор, как правило, не обнаруживается. Исчезновение хлора создает потенциальную опасность вторичного бактериального загрязнения питьевой воды, поэтому часть воды, пода­ваемой в удаленные районы, иногда приходится подвергать дополнительному хлори­рованию на насосных станциях третьего подъема. В летнее время для обеспечения бактериальной безопасности сетей приходится увеличивать концентрацию свободного хлора в воде, подаваемой населению, что ведет к ухудшению ее органолептических свойств и повышению агрессивности. В результате в отдаленных точках распределительной сети с низким водоразбором иногда отмечается многократное превышение нормативного [1] содержания железа. В значительной степени эта проблема решается при применении связанного хлора (монохлораминов NH2Cl и дихлораминов NHCl2), для чего в воду одновременно с хлором подают аммиак или его соединения. Химизм хлорирования воды в условиях присутствия в ней аммонийных соединений см. в подразд. 2.2. Процесс хлораммонизации может осуществляться либо с использованием природного аммонийного азота, присутствующего в воде водоисточника (не менее 0,3–0,4 мг/л), либо его введением в обрабатываемую воду. Введение аммиака возможно в начале технологической схемы очистки перед первичным хлорированием воды (преаммонизация) либо в процессе вторичного хлорирования воды. Наиболее часто применяется постаммонизация. Введе­ние аммония в очищенную воду позволяет эффективно переводить хлор в связанную форму и выдер­живать его концентрацию в регла­ментированном диапазоне (0,8–1,2 мг/дм) в течение длительного вре­мени (до 24 ч). При этом оптималь­ное соотношение аммоний : хлор составляет от 1: 8 до 1:10. В качестве реагентов для аммонизации воды применяют аммиак в виде газа (Богатинский гидроузел во Владивостоке), аммиачную воду (Ярос­лавль, Москва), сульфат аммония (NH4)2SO4 (Хабаровск, Екатеринбург) [6]. Приме­нение сульфата аммония, в отличие от газообразного аммиака и аммиач­ной воды, более технологично и безопасно, позволяет внедрять аммонизацию воды на сооружениях без изменения существующей тех­нологии с максимально простым приготовлением рабочего раствора и дозированием. Рабочий раствор сульфата аммо­ния с концентрацией 0,25–0,5 % по иону аммония готовится из сухого продукта в растворном баке, куда для перемешивания подается сжа­тый воздух. Затем раствор перека­чивается в расходный бак, откуда подается через дозаторы в резервуары чистой воды. Вторичный хлор и аммоний вводятся практически одновременно. Опыт применения этого метода обеззараживания воды в г. Хабаровске и г. Владивостоке показал, что постаммонизация во­ды обеспечивает эффективное свя­зывание активного хлора и фикса­цию его содержания в регламенти­рованном диапазоне для длительно­го пребывания воды в распределительной сети. Это позволяет не проводить дохлорирование воды на насосных станциях третьего подъема. Вве­дение постаммонизации обеспечивает снижение содержания хлороформа в питьевой воде, уменьшает ее коррози­онную активность, улучшает органолептические свойства. 13. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ БАКТЕРИЦИДНЫМ ОБЛУЧЕНИЕМ 13.1. Действие УФ-излучения на микроорганизмы Обеззараживание воды ультрафиолетовыми (УФ) лучами относится к числу физических (безреагентных) методов. Главное преимущество этих методов – отсутствие изменений состава и свойств обрабатываемой воды – проявляется при УФ-облучении наиболее очевидно. Ультрафиолетовым излучением называют электромагнитные волны с длиной 10–400 нм и соответствующей энергией фотонов 12,4–3,1 эВ. Биологически активной областью спектра УФ-излучения являются волны с длиной от 205 до 315 нм. Максимум бактерицидного действия находится в пределах длины волны 260 нм. Количественно интенсивность УФ-излучения оценивается отношением потока излучения к площади воспринимающей поверхности (милливатт на квадратный сантиметр – мВт/см2). Мера бактерицидной энергии, переданной микроорганизмам, – энергия активации (доза облучения) – определяется как интенсивность излучения за время экспозиции (секунды) и выражается в миллиджоулях на квадратный сантиметр – мДж/см2. Бактерицидное воздействие на микроорганизмы биологически активной части ультрафиолетового спектра лучистой энергии было установлено А.М. Маклаковым в 1889 г. Обеззараживающий эффект УФ-излучения в первую очередь обусловлен происходящими под его воздействием фотохимическими реакциями в структуре молекул ДНК и РНК, составляющими универсальную информационную основу аппарата воспроизводимости живых организмов. Результатом этих фотохимических реакций являются необратимые повреждения ДНК и РНК. Кроме того, действие ультрафиолетового излучения вызывает нарушения в структуре мембран и клеточных стенок микроорганизмов. Все это в конечном итоге приводит к их гибели. Необходимый бактерицидный эффект достигается при обязательном учете факторов, влияющих на процесс обеззараживания: – мощности источника УФ-энергии; – рациональности размещения источника излучения в обрабатываемой воде; – поглощения УФ-излучения обеззараживаемой водой; – закономерности отмирания различных микроорганизмов под действием УФ-облучения. Многочисленными исследованиями установлено, что бактерицидное действие УФ-облучения как на большинство обычных патогенных вегетативных бактерий, так и на споровые сильнее, чем хлорирование. Кроме того, УФ-облучение оказывает инактивирующее воздействие на вирусы, вызывая их гибель при энергии активации 16–40 мДж/см2 и по этому показателю практически не уступает озонированию. Так, для достижения высокого вирулицидного эффекта требуется доза озона на уровне 0,5–0,8 г/л и продолжительность контакта до 12 мин, а при использовании УФ-облучения инактивация вирусов происходит за несколько секунд. Известно, что некоторые виды бактерий способны образовывать штаммы, нечувствительные к действию хлорирования. Для инактивации таких микроорганизмов методы УФ-облучения и озонирования более предпочтительны: к их бактерицидному действию у бактерий не развивается «привыкания». Важно отметить, что для УФ-облучения не существует ограничения верхнего порога дозы, поэтому увеличением дозы УФ-излучения можно почти всегда добиться желаемого уровня обеззараживания. 13.2. Оборудование для УФ-обеззараживания В качестве источников УФ-излучения для обеззараживания воды используются газоразрядные лампы, имеющие в спектре своего излучения диапазон длин волн от 205 до 315 нм. Основным типом ламп, приме­ня­ю­щих­ся в установках обеззараживания воды, являются лампы высокого и низкого давления, заполненные парами ртути и инертных газов. Лампы низкого давления имеют электрическую мощность 2–200 Вт и рабочую температуру 40–150 °С. В лампах этого типа 30 % электрической энергии преобразуется в бактерицидное излучение с длиной волны 254 нм. Срок службы ламп низкого давления составляет 5000–10 000 ч. Лампы высокого давления имеют мощность 50–10 000 Вт и работают при температуре 600–800 °С. Эти лампы имеют широкий спектр излучения и низкий кпд в области коротковолнового излучения. Их использование в технологии обеззараживания воды обусловлено большой мощностью ламп. Конструктивно источники УФ-излучения делятся на лампы с отражателями и лампы с защитными кварцевыми чехлами. Лампы с отражателями используются в установках с непогружными источниками излучения. Эти лампы располагаются над свободной поверхностью текущей воды, то есть отсутствует их непосредственный контакт с водой. Лампы с защитными чехлами располагаются в потоке воды, обтекающей их со всех сторон. Защитные чехлы изготовляются из кварцевого стекла и предназначены для стабилизации температурного режима ламп. Такие лампы имеют большую эффективность использования УФ-излучения и применяются для обеззараживания питьевой воды чаще. Установки УФ-обеззараживания должны осуществлять равномерное распределение дозы облучения во всем объеме воды, что обеспечивается турбулизацией потока за счет «выравнивающих» устройств. Вода, проходя через камеру обеззараживания, непрерывно подвергается облучению ультрафиолетом, убивающим все находящиеся в воде микроорганизмы. Обычная бактерицидная установка УФ-обеззаражи­вания воды (рис. 6.1) состоит из камеры обеззараживания, пульта управления и блока промывки. Основной элемент – камера обеззараживания, обычно изготавливаемая из пищевой нержавеющей стали. Внутри камеры располагаются бактерицидные лампы (ртутные или ксеноновые), заключенные в прочные кварцевые чехлы, которые исключают контакт УФ-лампы с водой. Количество ламп и их расположение определяются производительностью установки, ее предназначением, типом и качеством обрабатываемой воды. На камере находятся подводящие и отводящие патрубки, пробоотборники, смотровое окно, УФ-датчик и другие элементы. Система автоматики располагается на выносном пульте управления. В состав большинства УФ-систем входит блок промывки, позволяющий легко осуществлять регламентную очистку камер обеззараживания. При промывке используются растворы слабых кислот (щавелевой, лимонной). Установки УФ-обеззаражива­ния выпус­каются отечественными предприятиями (НПО «ЛИТ», НВР, АО «Сварог», НПО «ЭНТ», ЗАО «Машиностроительный завод», «Коммунальник») и зарубежными производителями (например, Wedeco AG, Германия; Delta UV, Германия; Trojan Technologies, США; Calgon Carbon, США). Так, только НПО «ЛИТ» выпускает 7 серий установок различной условной производительности (от 0,5 до 3000 м3/ч). В табл. 6.1 приведены характеристики УФ-оборудования, выпускаемого основными отечественными производителями. Отметим, что многие предприятия выпускают не только сами УФ-излучатели, но и весь спектр вспомогательного оборудования – блоки промывки, пульты управления, датчики УФ-излучения. Налажен выпуск малогабаритных установок УФ-облучения малой производительности, рассчитанных на индивидуального потребителя. Таблица 13.1 Установки УФ-обеззараживания российского производства и их характеристики [16, 17] Номер серии и/или наименование оборудования Произво­дитель Условная производительность, м3/ч Потреб­ляемая мощ­ность, кВт Наличие УФ-дат­чика, тип Промывка, тип оборудования Основная область применения Серия 1: УДВ-1/1 тип 3 УДВ-2/1 тип 3 НПО «ЛИТ» 1 2 0,03 0,04 нет Меха­ничес­кая Питьевая вода Окончание табл. 6.1 Номер серии и/или наименование оборудования Произво­дитель Условная производительность, м3/ч Потреб­ляемая мощ­ность, кВт Наличие УФ-дат­чика, тип Промывка, тип оборудования Основная область применения Серия 2: УДВ-1/1 тип 4; УДВ-2/1 тип 4; УДВ-5/1; УДВ-10/2; УДВ-30/5; УДВ-50/7; УДВ-100/14; УДВ-150/21 НПО «ЛИТ» 1 2 5 10 30 50 100 150 0,03 0,04 0,08 0,20 0,45 0,60 1,2 1,8 ДИ-2 Химическая, БПР-2, БПР-5 Питьевая вода Серия 3: УДВ-120/36 УДВ-500/72 УДВ-1000/144 УДВ-2000/288 НПО «ЛИТ» 120 500 1000 2000 3,10 6,40 12,80 15,60 ДИ-2 Химическая, БПР-5 Питьевая вода УОВ -10 ЗАО «Машиностроительный завод» 10 0,08 – – Питьевая вода, сточные воды УОВ -50 ЗАО «Машиностроительный завод» 50 2,5 – – Питьевая вода, сточные воды УОВ -150 ЗАО «Машиностроительный завод» 150 7,5 – – Питьевая вода, сточные воды «Блеск» – 10; 20; 40; 50; 100; 150; 300 НВР (Нац. вод. ресурсы) 1000– –30000 0,05–0,55 нет – Питьевая вода, сточные воды УОВ-0,2; УОВ-0,5; УОВ-0,5/2; УОВ-3,0; УОВ-3,0/2; УОВ-3,0/3 НПО «ЭНТ» – 0,012– –0,27 нет Химическая Питьевая вода, сточные воды УОВ-15; УОВ-15/2; УОВ-50; УОВ-50/2 НПО «ЭНТ» 20-150 0,65-3,2 нет Химическая «Лазурь М» – 0,5; 1; 3; 5; 10; 20; 30; 50 АО «Сварог» 0,5-50 – нет Механичес­кая Питьевая вода «Лазурь МН» АО «Сварог» 1 0,1 нет Механичес­кая Сточные воды В установках «Лазурь М», «Лазурь МН» применяются ксеноновые УФ-лампы непрерывного спектра излучения, во всех остальных установках – ртутные лампы. Химическая промывка ламп осуществляется в автоматическом режиме. 13.3. Безопасность метода УФ-облучения для природы и человека УФ-облучение в отличие от окислительных технологий не меняет химический состав воды даже при дозах, намного превышающих практически необходимые. Но следует учесть, что УФ-излучение в области 100–200 нм вызывает образование озона из молекул кислорода. Это излучение присутствует и в непрерывном спектре ксеноновых ламп, и в линейчатом спектре ртутных ламп. Образования озона удается избежать, применяя специальное стекло или специальное напыление на стекло ламп, не пропускающих ультрафиолет с длиной волны ниже 200 нм. С другой стороны, именно УФ-излучение в области 100–200 нм при использовании мощных импульсных ксеноновых ламп создает возможность для конструирования установок глубокой фотохимической очистки воды от загрязнения нефтепродуктами, пестицидами, токсическими и мутагенными циклическими органическими соединениями. УФ-облучение убивает микроорганизмы, но клеточные стенки бактерий, грибков, белковые фрагменты вирусов остаются в воде. При использовании такой воды в качестве питьевой желательно удалять их с помощью последующих стадий обработки: тонкой фильтрации, в том числе на угольных сорбционных фильтрах, или обратного осмоса. Защита от возможного неблагоприятного воздействия УФ-облучения на обслуживающий персонал должна быть обеспечена конструкцией УФ-установок, гарантирующей отсутствие выхода УФ-излучения за пределы камеры обеззараживания. При применении УФ-ламп, конструкция которых не исключает выход УФ-лучей с длиной волны менее 200 нм («озонообразующая область ультрафиолета»), концентрация озона в воздухе помещений не должна превышать допустимую – 0,03 мг/м3 [18]. 13.4. Применение УФ-излучения для обеззараживания воды Широкая распространенность метода УФ-обеззараживания объясняется такими его достоинствами, как универсальность и эффективность воздействия на различные микроорганизмы; экологичность, безопасность для жизни и здоровья человека; относительно низкая цена; невысокие эксплуатационные расходы; низкие капитальные затраты; простота обслуживания установок; универсальность и эффективность поражения микроорганизмов. Установки УФ-облучения применяются в самых разных случаях, когда необходимы стадии водоподготовки и водоочистки при водоснабжении широкого спектра коммунальных и промышленных объектов, а также объектов индивидуального пользования. Установки используются для обеззараживания подземных и поверхностных вод при централизованном и автономном водоснабжении, а также в очистных сооружениях индивидуальных домов, коттеджных поселков, автозаправочных станций, автомоек, санаториев, пансионатов и т. д. В частности, установки УФ-обеззара­жи­вания НПО «ЛИТ» обслуживают Автозаводской район г. Тольятти с населением около 500 тыс. чел. На Дальнем Востоке этот метод обеззараживания воды используется на Аремовском водозаборе производительностью 22000 м3/сут в г. Биробиджане, где также смонтированы УФ-установки НПО «ЛИТ». УФ-обеззараживание применяется в пищевой промышленности при производстве минеральной бутилированной воды и пива, в медицинской промышленности и других отраслях. С учетом экономической и эксплуатационной целесообразности УФ-обеззараживание может быть использовано для обработки воды с цветностью до 50 градусов, мутностью до 30 мг/л и содержанием железа до 5,0 мг/л [18]. Минимальная доза УФ-облучения, регламентируемая методическими указаниями Минздрава РФ для обеззараживания питьевой воды, 16 мДж/см2. Проникновение УФ-лучей сопровождается их поглощением самой водой и находящимися в ней растворенными и взвешенными веществами. Поглощающая способность воды характеризуется коэффициентом поглощения, цифровое выражение которого указывает долю бактерицидного излучения, поглощенного слоем воды толщиной 1 см. Коэффициент поглощения неочищенной воды поверхностных источников находится в пределах от 0,2 до 0,6. Коэффициент поглощения питьевой воды, полученной из подземных источников, имеет значение 0,05–0,2, из поверхностных источников – 0,15–0,3. Величина коэффициента УФ-пропускания, выражающаяся в процентах прошедшего через слой воды УФ-светового потока, также часто используется для оценки эффективности УФ-облу­че­ния. Исследованиями НПО «ЛИТ» [19] установлено, что отечественные поверхностные источники нередко имеют пониженный коэффициент УФ-пропускания из-за присутствия в воде большого количества органических соединений. Эти вещества, часто не представляющие токсикологической и санитарной опасности, ухудшают условия проникновения УФ-лучей в толщу воды и требуют увеличения светового потока. Так, если по данным зарубежных опросов на поставку УФ-оборудования значение коэффициента УФ-пропускания составляет 90–95 % при минимальном значении 80 %, то в отечественной практике этот показатель колеблется в пределах 67–85 %. В то же время установлено, что изменение величины коэффициента УФ-пропускания от 80 до 40 % требует увеличения количества ламп в 3 раза. Обеззараживание воды можно проводить на различных стадиях ее обработки на водоочистных сооружениях. Установлено благоприятное воздействие раннего УФ-облучения на процессы осветления воды (улучшается коагуляция), однако УФ-воздействие на загрязненную воду требует значительно большей дозы из-за малого коэффициента светопропускания. Поэтому УФ-обеззараживание выгоднее проводить на заключительном этапе водоподготовки. В отличие от химических видов дезинфекции УФ-облучение не обладает остаточным эффектом, поэтому при необходимости транспортирования обеззараженной таким способом воды следует дополнительно вводить консервирующий дезинфектант, например хлор, серебро, перманганат калия и др. При этом можно обходиться малыми (дефицитными) дозами этих веществ. Обеззараживание плавательных бассейнов УФ-лучами применяется как самостоятельный метод, так и в комбинации с хлорированием. При комбинированном УФ-обеззараживании хлор вводится в воду после УФ-облучения с остаточной концентрацией на уровне 0,3 мг/л [20]. В бассейнах с прямоточной и наливной схемами водообмена бактерицидные установки монтируются на подающем трубопроводе, в бассейнах с рециркуляцией воды – после фильтров. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какое электромагнитное излучение обладает бактерицидными свойствами? 2. Какие лампы применяются в бактерицидных установках? 3. В чем достоинства и недостатки УФ-обеззараживания по сравнению с другими методами? 4. Опишите устройство установок для УФ-обеззараживания воды. 5. Каковы условия применения УФ-облучения для обеззараживания питьевой воды?