Очистные сооружения систем водоснабжения

7.1. Основные процессы обработки природной воды

В задачу полной обработки природной воды перед подачей ее в систему хозяйственно-питьевого потребления входит:

а) удаление из воды содержащихся в ней взвешенных частиц - осветление;

б) устранение веществ, обуславливающих цветность воды - обесцвечивание;

в) уничтожение содержащихся в воде бактерий – обеззараживание;

г) удаление из воды катионов кальция и магния – умягчение воды.

Техническая вода, как правило, подвергается только осветлению.

Осветление воды обычно осуществляется путем:

- отстаивания воды в отстойниках;

- пропуска воды через слои ранее выпавшего осадка в осветлителях;

- пропуска воды через слой зернистого фильтрующего материала в фильтрах;

- комбинированного использования названных аппаратов и методов.

7.1.1. Отстойники

Для осветления воды используются отстойники трех типов: горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Горизонтальный отстойник (см. рис.7.1) представляет собой в плане бассейн прямоугольной формы с длиной L, шириной B и глубиной H.

Рис.7.1. Горизонтальный отстойник: 1 – зона осаждения; 2 – зона накопления

Вода, подлежащая осветлению, подводится с одного торца бассейна, проходит вдоль зоны осаждения 1 отстойника и отводится с противоположного торца. Ниже глубины Н в отстойнике расположена зона накопления 2, где собирается и уплотняется выпавший осадок. Дно отстойника имеет уклон, обратный ходу воды, не менее 0,02.

Скорость воды в таких отстойниках принимается обычно в пределах w=5,0-10,0 мм/с. Скорость выпадения частицы в воде u, м/с, определяется по формуле Стокса [6]:

, (7.1)

где r и r₀ – соответственно плотности частицы и воды, кг/м³; m - вязкость воды, кг/(м×с); d – эквивалентный диаметр частицы, м; g – ускорение свободного падения, м/с².

Для задержания всех частиц отстойник должен иметь длину L, м:

, (7.2)

где H – высота зоны осаждения, м; u – вертикальная скорость выпадения частицы, м/с; w – горизонтальная скорость частицы, равная скорости воды.

Формула (7.2) получена при предположении, что скорость w постоянна по высоте и ширине отстойника. На практике это не так. Поэтому СНиП [6] рекомендует длину, ширину и объем отстойника определять по более сложной методике, в которой учитываются: влияние температуры на вязкость воды; гидравлическая крупность частиц взвеси; формы и размеры отстойника и др. факторы.

При значительном содержании взвешенных частиц в осветляемой воде, удаление осадка из отстойника должно быть механизировано. Кроме того значительны расходы воды на собственные нужды (промывка отстойников после их очистки).

Горизонтальные отстойники экономически оправдываются при общей производительности станции более 30 тыс. м³/сутки. Как правило, сооружают не менее двух параллельно работающих горизонтальных отстойников.

Вертикальные отстойники применяются при обработке воды на небольших станциях с общей производительностью до 3 тыс. м³/сут.

Рис.7.2. Вертикальный отстойник: 1 – корпус; 2 – накопитель; 3 - центральная цилиндрическая труба; 4 – гаситель завихрений; 5 – сборный желоб

Отстойник представляет собой цилиндрический корпус с коническим днищем и центральной трубой (см. рис.7.2). Центральная труба 3 – это встроенная в отстойник камера хлопьеобразования водоворотного типа. Вода подается в ее верхнюю часть, проходит камеру сверху вниз и через гаситель 4 поступает в нижнюю часть зоны осаждения отстойника. Затем она разворачивается и по кольцевому сечению движется вверх со средней скоростью w=0,5-0,6 мм/с.

Задерживаться отстойником будут частицы, имеющие скорость u>w. Осветленная вода через кольцевой сборный желоб 5 выводится из отстойника. Осадок сползает вниз в накопитель и периодически удаляется, без останова работы осветлителя.

Высота цилиндрической части корпуса принимается не более H=4-5 м. Диаметр корпуса D вычисляется по уравнению расхода. Обычно рекомендуют D/H£1,5.

Диаметр центральной трубы определяется из расчета необходимого времени пребывания воды в ней – 900-1200 с, т.к. вертикальные отстойники обычно используют для осветления коагулированной воды. Применение коагуляции взвеси позволяет увеличить производительность вертикального отстойника и улучшает качество осветленной воды.

Радиальный отстойник представляет собой круглый железобетонный резервуар большого диметра D и небольшой глубины H, т.е. это тот же вертикальный отстойник, но с соотношением D/H>3,5. Конструктивная схема такого отстойника приведена на рис.7.3.

Рис.7.3. Радиальный отстойник: 1 – водораспределитель; 2 – коническое дно; 3 – круговой водосливной желоб; 4 – вращающаяся ферма; 5 – скребки; 6 – приямок

Отстойник с таким соотношением размеров имеет уже в основном радиальное направление движения воды, поэтому и носит соответствующее название. Особенностью работы радиального отстойника является изменение скорости движения воды от максимального значения в центре до минимального на периферии.

К преимуществам радиальных отстойников относится их незначительная глубина, даже при большой производительности. Глубину у стенки принимают в пределах H=1,5-2,0 м, уклон днища отстойника – 0,04.

В этих отстойниках вода подается в центральную часть, проходит через специальные распределительные устройства 1 в виде цилиндрического дырчатого успокоителя и движется в радиальном направлении к периферийному сборному желобу 3, из которого отводится по трубам. Осадок удаляется механически с помощью скребков 5, укрепленных на вращающейся ферме 4. Скребки сгребают осадок к приямку 6 в центре отстойника, откуда он удаляется по грязевой трубе.

Радиальные отстойники применяют при больших расходах воды Q>10-12 м³/с. Особенно они удобны при большой загрязненности воды, так как осадок удаляется непрерывно. Это большое достоинство радиальных отстойников.

Осветление в таких отстойниках может осуществляться как с коагулянтом так и без него. Применение коагулянта позволяет увеличить производительность отстойника.

Безнапорный гидроциклон представляет собой цилиндрический корпус с коническим днищем (см. рис.7.4).

Рис. 7.4. Безнапорный гидроциклон: 1 – цилиндрический корпус; 2 – коническое днище; 3 – коническая диафрагма

Вода подводится тангенциально по 1-й 2-м трубам в нижней части корпуса. При вращении воды частицы взвеси отбрасываются к цилиндрической стенке корпуса и сползают по ней в конусное днище, из которого удаляются через выпуск. Осветленная вода проходит через диафрагму с отверстием d=D/2 и отводится через кольцевой желоб в верхней части циклона.

Вращательное движение воды снижает турбулентность потока, что улучшает качество осветления. Обычно H@D и D£8 м – в зависимости от производительности осветлителя. Применение коагулянта, как и в других осветлителях, увеличивает производительность и улучшает качество осветления.

При повышенных требованиях к воде, или при наличии большого количества мелкодисперсной взвеси, осветление в отстойниках может оказаться недостаточной. В таком случае требуется дополнительная стадия очистки.

Осветлители с пропуском воды через слой уже выпавшего осадка могут быть эффективно использованы вместо отстойников для предварительного осветления воды перед подачей ее в фильтры. Этот метод применим только при условии введения в воду коагулянта, т.е. при условии предварительной обработки воды, лишающей частицы взвеси агрегативной устойчивости.

Принцип работы некоторых конструкций таких осветлителей показан на рис.7.5.

Рис.7.5. Осветлители с взвешенным осадком

Во всех конструкциях вода, после введения в нее коагулянта, подается в нижнюю часть осветлителя. Пройдя решетчатое днище она попадает в слой уже выпавшего ранее взвешенного осадка. В этом слое происходит процесс прилипания частиц взвеси к образовавшимся в воде хлопьям коагулянта, т.е. своеобразный процесс контактной коагуляции. При этом и совершается так называемое стесненное осаждение хлопьев и частиц мути.

Методика расчета процессов осветления в таких аппаратах довольно сложна. Подробно она изложена в СНиП [6].

Широко используются осветлители со слоем взвешенного осадка для осветления мутных вод, при обесцвечивании и при реагентном умягчении воды. Такие осветлители работают эффективно при условии относительно небольших колебаний часового расхода воды (±10%) и незначительных колебаний температуры – не более 1°C в течение 1 часа.

Фильтрование – важная стадия осветления воды. В этом процессе вода проходит через пористую среду, образованную слоем фильтрующего материала.

Существует большое разнообразие фильтров. Они различаются конструктивным оформлением, видом фильтрующих материалов, механизмом задержания взвешенных частиц.

В общем случае фильтр (см. рис.7.6) представляет собой железобетонный или металлический резервуар 1, в нижней части которого расположено дренажное устройство 4 для отвода профильтрованной воды (фильтрата).

Рис.7.6. Схема работы скорого фильтра: 1 – резервуар; 2 – слой фильтрующего материала; 3 – слой поддерживающего материала; 4 – дренажное устройство; 5 – водоподводящий желоб; 6 – карман

На дренаж укладывается слой поддерживающего материала 3, а затем слой фильтрующего материала 2. Вода подается в фильтр через карман 6 и желоб 5, создает над фильтрующим материалом столб воды, которая, просачиваясь через фильтрующий слой, очищается от взвешенных частиц.

Через определенный промежуток времени фильтр должен очищаться. Очистка производится путем отключения фильтра и промывкой его обратным потоком воды со скоростью в несколько раз превышающей скорость фильтрации. А так как работа периодическая, то фильтров должно быть несколько. Промывка скорых фильтров длится 5-7 минут с периодичностью 1-2 раза в сутки.

Фильтры по виду фильтрующей среды делятся на зернистые (песок, антрацит, керамзит), сетчатые (сетки с разной крупностью ячеек), каркасные или намывные (диатомитовые), с плавающей загрузкой (вспененные гранулы пенополистирола).

По скорости фильтрования w_ф различают:

- медленные фильтры с w_ф £ 0,3 м/ч (открытые);

- скорые – w_ф=2-15 м/ч (открытые и напорные);

- сверхскорые – w_ф>25 м/с (напорные).

При проектировочных расчетах фильтров определяются толщина фильтрующего слоя, скорость фильтрования и оптимальная длительность периода работы фильтра между промывками. Правильный выбор этих параметров, находящихся во взаимосвязи, имеет большое экономическое значение.