Σ_К^ОПР– сумма мг – экв катионов, включенных в анализ.

Сумму щелочных ионов К⁺ + Nа⁺, выраженную в мг – экв/л, пересчитывают в мг /л по эквивалентному весу Nа⁺, равному 23, и вводят в формулу ( 2 ). Такой пересчет приводит к сравнительно небольшой ошибке, обычно не превышающей 1,6 % суммы всех составных частей общего солесодержания ( содержание К⁺ + Nа⁺ в общей сумме ионов, так же как и К в сумме К⁺ + Nа⁺, составляет не более 20 % ).

Кроме общего контроля анализа по сухому остатку следует сопоставить результаты некоторых отдельных определений.

1. Содержание в воде СО₃^-2, НСО₃^- и свободной СО₂ сопоставляют с величиной рН. Зависимость между этими величинами применительно к открытым источникам, не содержащим СО₃^-2, с температурой природной воды 22С, определяют из формулы рН = 6,37 – lgCco₂ + lgCнсо₃^- +lgf₍₁₎ , ( 4 ).

где Ссо₂ – концентрация свободной углекислоты в мг / л ;

Снсо₃ – концентрация НСО₃^- в мг /л ;

f₍₁₎ – коэффициент активности НСО₃^-.

Использование номограммы ( рис 1.2, существенно облегчает проверку определения СО₂, НСО₃^- и рН. Например, по таблице 1 при [CO₂ ] = 22 мг /л щелочность определяемая концентрацией НСО₃, равна 2 мг /л ; для этих значений по номограмме ( при t = 20С ) имеем, что рН такой воды должно быть равно 6,9. Прямое определение показало, что рН = 7. Таким образом, отклонение составляет 0,1. Допустимая разница не должна превышать 0,2. Следовательно, аналитические определения СО₂, НСО₃ и рН проведены правильно.

Если в воде кроме НСО₃^- и СО₂ находятся анионы других слабых кислот ( НSiO₃^-, НS^-, Н₂РО₄^-, органических ) или анионы СО₃, а также при наличии только СО₂ ( тогда рН <4 ), изложенная методика неприемлема.

2) Если в результате анализа обнаружена высокая окисляемость воды, то нужно проверить, не связано ли это с повышенным содержанием легкоокисляющихся закисного железа или сероводорода. Наличие сероводорода требует дополнительного количественного определения Н₂S.

Высокая окисляемость при повышенном содержании Сl^- и при наличии NН₂^- и NН₄⁺ , сопровождаемая бактериальным загрязнением, определенно говорит о санитарной недоброкачественности воды, связанной с бытовыми стоками.

Например, сопоставление окисляемости воды в анализе из таблицы 1 с содержанием Сl^-, NО₂^- и NН₄⁺ говорит о благополучном санитарном состоянии воды: нормальные концентрации Сl^-, SO₄^2-, сочетаются с отсутствием ионов азотистой кислоты и аммиака. Если бы окисляемость была повышенной ( например, 50 – 100 мг /л О₂ ), то при тех же показателях химического анализа можно было бы судить о вероятно высокой цветности воды за счет содержания в ней органических гуминовых кислот или же ( применительно к подземным водам ) о возможном наличии сероводорода.

1. При отдельном определении общей жесткости воды дополнение следует сопоставить ее величину, полученную экспериментально, с суммой Са²⁺ + Мg²⁺. Так же нужно сопоставить значения карбонатной и устранимой жесткостей, если последняя дается в анализе. Устранимая жесткость, как правило, меньше карбонатной ( численно равной содержанию НСО₃^- ) на 0,3 – 0,6 мг – экв / л, а при высокой степени минерализации воды – и более.

Если в распоряжении проектировщика имеется полный анализ воды с определением содержания всех ионов, включая К⁺ и Nа⁺, то основной проверкой правильности анализа является сопоставление сумм мг – экв катионов и анионов ; при этом

( 5 )

1. Использование анализов при проектировании.

Анализы физических, химических и бактериальных свойств воды используются при проектировании водопроводных сооружений для выявления лучшего с санитарной точки зрения места водозабора. Для определения характера обработки воды и выполнения предъявляемых к ней требований. Данные анализов, кроме того позволяют рассчитать ориентировочные дозы реагентов, необходимых для обработки воды по проектируемой технологической схеме. Последняя возможность особенно важна при отсутствии технологических анализов, которых проектировщики часто не имеют.

Сравнение химического и бактериального анализов воды с требованиями ГОСТ 2761 – 96 позволяет решить вопрос о возможности использования избираемого источника для хозяйственно – питьевого водоснабжения, следует однако, иметь ввиду, что превышение предельного содержания показателей, приведенных в ГОСТе, не исключает возможности использования источника в поставленных целях, но ставит перед проектировщиком дополнительные задачи по определению мер улучшения свойств воды. Эти меры в каждом случае должны согласовываться с органами Государственной санитарной инспекции.

Окончательное решение о методах обработки принимается на основе сравнения физико – химических и бактериальных свойств воды с требованиями ГОСТ 2874 – 96, а также в зависимости от расхода обрабатываемой воды и местных условий.

Следует заметить, что для выявления необходимых методов обработки воды используются не все показатели, характеризующие источник водоснабжения. Некоторые из них ( NО₂^-, NН₄⁺, NО₃^-, окисляемость )были использованы раньше для предварительной оценки санитарного состояния источника, а НСО₃^-, СО₃^2-, СО₂, рН – для проверки анализа по сухому остатку и значению рН. Кроме того, показатели НСО₃, рН, а также окисляемость и температура используются для решения частных вопросов проектирования водоочистных сооружений.

Содержание НСО₃^- для подавляющего большинства природных вод ( особенно в открытых водоемах ) при практическом отсутствии в них ионов СО₃^2- и ОН^- отождествляется со щелочностью воды ( мг – экв /л ) , т.е. концентрацией веществ, способных нейтрализовать кислоты. Контроль щелочности параллельно с контролем содержания СО₂ и рН на последовательных этапах обработки воды позволяет при проектировании сооружений выявить необходимость подщелачивания и подкисления воды. Это обеспечивает наиболее выгодные условия прохождения проектируемых технологических процессов и позволяет ориентировочно определить дозы реагентов, необходимые для создания этих условий. Концентрация НСО₃^-, помимо этого, численно определяет карбонатную жестокость воды.

При повышенной окисляемости воду нужно хлорировать перед введением раствора коагулянта для окисления и разрушения органических веществ, тормозящих процесс коагуляции. Температура воды является фактором, определяющим (наряду с характером загрязнений ) выбор коагулянта.

1. Технологический анализ.

Физико – химический и бактериальный анализы, как это было показано выше, дают основу для выявления необходимых методов обработки воды и содержат показатели, позволяющие решить некоторые задачи технологического характера. Однако для большей точности проектирование технологических схем обработки воды и расчет водоочистных устройств должны проводиться при помощи технологического анализа. Он позволяет выявить наиболее целесообразные методы обработки воды для осуществления намеченного процесса, определить оптимальные дозы реагентов, последовательность их введения, а также ряд других расчетных параметров.

Технологические свойства воды рекомендуется исследовать по ГОСТ 2919 – 85, который предусматривает определение коагулируемости, обесцвечиваемости, осаждаемости взвеси и других показателей. Однако ГОСТ 2919 – 85 не содержит методов, с помощью которых можно было бы выбрать параметры фильтрующих загрузок фильтров и контактных осветлителей для заданной скорости фильтрования и качеств исходной воды. Также отсутствуют показатели, позволяющие решить вопрос о выборе расчетной скорости движения воды в осветлителях, высоте зоны взвешенного фильтра и ряде других параметров, знание которых могло бы повысить надежность расчета сооружений.

В отношении осветлителей такое положение в известной мере исправляется разработанной ВНИИ Водгео методикой определения эталонной концентрации взвеси (при скорости восходящего потока 1,8 м /ч ), позволяющей, в частности, обоснованно подойти к выбору расчетной скорости и коэффициенту распределения воды в осветлителе.

Для выбора расчетных параметров фильтров и контактных осветлителей может быть применен метод моделирования процесса фильтрации суспензий через зернистые слои.

1. Выбор технологической схемы обработки воды

Выбор метода обработки воды. основывается на сравнении показателей качества исходной воды с требованиями потребителя.

Основными методами осветления и обесцвечивания воды на очистных сооружениях городских водопроводов являются отстаивание фильтрование с предварительной химической обработкой коагулянтами, известью, хлором и другими реагентами. Безреагентные методы (например, осаждение некоагулированной взвеси ) могут быть применены в качестве вспомогательных мер для облегчения работы основных сооружений. Устройства для простого отстаивания (искусственные водоемы, ковши и т.п. ) следует рассматривать как гидротехнические или водоприемные сооружения, предназначенные для выполнения частной задачи – удержания грубой взвеси. Вспомогательным следует считать и метод процеживания воды.

Технологические схемы очистных станций городских водопроводов для осветления и обесцвечивания по характеру движения воды через сооружения относятся к самотечным. Эти схемы позволяют создавать крупные установки (отстойники, фильтры ) с ограждающими конструкциями из монолитного или сборного железобетона, что было бы практически невозможно при напорных схемах.

В зависимости от качества исходной воды основным технологическим процессом может быть только фильтрование воды или отстаивание с последующим фильтрованием. О возможности безреагентного предварительного осаждения грубой извести было сказано выше.

Для осуществления основных технологических процессов могут быть использованы вертикальные или горизонтальные отстойники, осветлители со взвешенным осадком, а для фильтрования – контактные осветлители или фильтры с различными видами фильтрующих загрузок. Чтобы обеспечить качественное проведение основных технологических процессов, используют смесители, камеры хлопьеобразования, входные камеры с грубыми ситами, микрофильтры.

Для химической обработки воды коагулянты, известь, соду, хлор или его соединения, а для интенсификации основных процессов – кислоты, неорганические и органические флокулянты.

Дезинфекция воды может быть достигнута введением хлора или его производных, бактерицидным облучением, озонированием.

При проектировании технологической схемы решается важнейшая задача: выбор оптимального состава основных и вспомогательных сооружений. Ее сложность заключается в том, что получение воды питьевого качества может быть достигнуто при различном составе элементов очистной станции.

В настоящее время рекомендуется применять следующие технологические схемы для получения питьевой воды на городских водопроводах.

Схема 1. Одноступенчатая обработка воды. Основные устройства для осветления и обесцвечивания – контактные осветлители. Сооружения, обеспечивающие эффективное проведение основного технологического процесса: входные камеры с грубыми сетками, смеситель, реагентное хозяйство для заготовки растворов коагулянта, устройства для осуществления двойного хлорирования ( или озонирования ) воды.

Схема пригодна для станций любой производительности при условии, что содержание взвешенных в воде после ее химической обработки не превышает 150 мг / л, а цветность – 150 град платиново – кобальтовой шкалы.

При наличии в исходной воде планктона в схему перед смесителем могут быть введены микрофильтры.

Схема2 Двухступенчатая обработка воды. Основные сооружения, в которых последовательно осуществляются процессы осаждения взвеси и фильтрования – горизонтальные отстойники и скорые фильтры. Устройства для обеспечения основных технологических процессов: смесители, камеры хлопьеобразования, установки для заготовки растворов коагулянтов, извести, для производства двойного хлорирования ( или озонирования ) воды.

Схема экономически целесообразна для станции с расчетной производительностью более 50 000 м³ / сутки и может быть применена в диапазоне от 30 до 50 тыс. м³ / сутки. В последнем случае на выбор между горизонтальными отстойниками и осветлителями, как правило, решающее влияние оказывают местные условия строительства и эксплуатации сооружений (климатические условия, рельеф площадки строительства, глубин залегания грунтовых вод, наличие квалифицированных кадров в периоды строительства и эксплуатации, снабжение станции реагентами и пр. ).

Содержание взвешенных веществ и цветность воды, поступающей на обработку, ограничиваются возможностями накопления осадка в горизонтальных отстойниках. Если будет установлено, что накопление осадка за расчётный период приведет к нарушению нормального режима работы отстойника (к чрезмерному повышению горизонтальной скорости ), то необходимо предусмотреть предварительное безреагентное осаждение крупной взвеси в устройствах типа ковшей или в специальных открытых водоемах, заполняемых в периоды наибольшей мутности воды.

При механизированном удалении осадка из отстойников необходимость в предварительном отстаивании воды, как правило, отпадает, так как период накопления осадка может быть сокращен до 1 суток.

Для дополнительного улучшения и интенсификации работы основных сооружений могут применяться микрофильтры (при значительном содержании планктона ), обработка воды флокулянтами и подкисление (для создания оптимальных условий снятия цветности коагулированием ).

Схема 3 Двухступенчатая обработка воды. Для удержания и осаждения взвеси и фильтровании в схеме применены осветлители со взвешенным осадком и скорые фильтры. Для вспомогательных процессов используются смесители, воздухоотделители, устройства для заготовки растворов коагулянта, извести, производства двойного хлорирования или озонирования.

Экономическая целесообразность схемы проявляется на очистных станциях производительностью от 2000 до 30 000 м³ / сутки.

В отношении свойств воды, поступающей на обработку, применение схемы ограничивается содержанием взвешенных веществ (после введения реагентов ) от 100 до 2500 мг / л и цветность до 150 град. Дополнительными ограничениями являются круглосуточная работа станции, постоянная подача воды ( изменение расхода в ту или другую сторону не должно превышать в течение часа 15 % ) и повышенная стабильность температуры воды, поступающей на осветлители ( увеличение температуры воды в течение часа более чем на 1 не допускается).

Эффект обработки воды в случае необходимости может быть повышен применением микрофильтров (при наличии в воде планктона) и введением флокулянтов.

Схема 4. Двухступенчатая обработка воды на вертикальных отстойниках и скорых фильтрах. Прочие устройства те же, что и в схеме 2. Область применения ограничена производительностью до 3000 м³ / сутки, но может быть расширена до 30 000 м³ / сутки, когда применение осветлителей со взвешенным не может обеспечить стабильного эффекта осветления. Содержание взвешенных веществ и цветность не ограничиваются

Типы сооружений, включаемых в выбранную технологическую схему очистной станции, определяются особенностями их устройства и эксплуатации, условиями компактной и рациональной компоновки, возможностями размещения этих сооружений в соответствии с принятой общей высотной схемой станции и другими факторами, связанными со строительством и эксплуатацией. Эти вопросы рассматриваются в последующих главах.

Г Л А В А 3

Методы и сооружения осветления и обесцвечивания поверхностных вод.

3.1 Осветление и обесцвечивание воды коагулированием. Классификация взвешенных веществ. Устройства и расчет осветлителей.

Обработка воды коагулянтами применяется для очистки воды от взвешенных веществ, снижения цветности, а также для интенсификации осаждения карбоната кальция и гидроокиси магния при реагентом умягчении воды.

Наиболее часто обработка коагулянтами производится для очистки воды открытых водоемов. При этом наряду с освобождением воды от взвеси достигается удаление из воды коллоидных веществ, обусловливающих цветность воды, планктонных организмов, существенно снижается бактериальная загрязненность воды.

Нередко при обработке коагулянтом уменьшаются также запахи и привкусы воды.

В водах открытых водоемов взвешенные вещества чаще всего представляют собой частицы песка, глины, ила, планктонные организмы, продукты разрушения растений и т. п.

Взвешенные частицы, удельный вес которых больше единицы, стремятся осаждаться на дно сосуда. Однако наиболее мелкие частицы суспензий размерами от 3 – 4 до 0,1 мк и коллоидные частицы размерами от 0,1 до 0,001 мк практически не осаждаются, оставаясь в воде во взвешенном состоянии.

С приемлемой для техники отстаивания скоростью осаждаются только частицы крупнее 30 – 50 мк т.е не мельче илистых частиц. Мелкий ил, глинистые и коллоидные частицы без специальных мер выделить отстаиванием невозможно. Для их осаждения и применяют добавление к воде коагулянтов – веществ, образующих относительно крупные, быстро осаждающиеся хлопья, которые увлекают с собой при осуждении мелкодисперсную взвесь, загрязняющую воду.

Скорости осаждения в воде частиц кварца крупности например 10 мк, с удельным весом γ = 2,65 при температуре 15С, равна 0,1 мм/сек.

В таблице 3.1 приведена относительная коагулирующая способность катионов и анионов различной валентности. Следует иметь ввиду, что для положительно заряженных коллоидных частиц коагулирующими ионами являются анионы, а для отрицательно заряженных коллоидов – катионы.

Таблица 3.1

Относительная коагулирующая способность электролитов (коагулянтов ).

Электролит (коагулянт )	Относительная коагулирующая способность для коллоидов, заряженных.
	положительно	отрицательно
NаСl	1	1
ВаСl2	1	30
Nа2SO4	30	1
Nа3РО4	1000	1
МgSO4	30	30
АlCl3	1	1000
Аl2(SO4 )3	30	1000
FeСl3	1	1000
Fe2(SO4)3	30	1000

В таблице 3.2 приведена примерная классификация взвешенных веществ по гидравлической крупности.

Гидравлическая крупность взвешенных веществ природных вод.

Таблица 3.2

Взвесь	гидравлическая крупность в мм / сек	приблизительный размер частиц взвеси в мм
песок:
крупный	100	1
средний	50	0,5
мелкий	7	0,1
Ил	1,7 – 0,5	0,05 – 0,027
мелкий ил	0,07 – 0,017	0,01 – 0,005
Глина	0,005	0,0027
тонкая глина	0,0007 – 0,00017	0,001 – 0,0005
коллоидные частицы	0,000007	0,0001 – 0,000001

Предельно допустимое содержание взвешенных веществ в воде, подаваемой хозяйственно – питьевыми водопроводами, нормировано ГОСТом. Согласно этому ГОСТу содержание взвешенных веществ в питьевой воде должно быть не более 2 мг / л.

В последнее время в санитарно – технической литературе наблюдается тенденция к снижению предельно допустимой концентрации взвешенных веществ, так как считается, что это повышает санитарную безопасность воды в отношении вирусных инфекций.

Ряд производств химической, нефтяной, текстильной, бумажной, радиотехнической и других видов промышленности предъявляет к воде такие же или даже более высокие требования, чем при водоснабжении населенных мест. Эти требования обычно определяются специалистами – технологами различных производств.

В практике очистке воды в качестве коагулянтов применяются преимущественно соли алюминия и железа: сернокислый алюминий Аl₂(SO4)₃, хлорное железо FеCl₃, железный купорос FеSO₄, сернокислое трехвалентное железо Fе₂(SO₄)₃.

Значение этих коагулянтов заключается в том, что они способны образовывать гидрофобные коллоидные системы, которые при коагуляции дают хлопья, сорбируют и захватывающие при осаждении частицы природных загрязнений воды.

При введении в воду сернокислого алюминия происходит его диссоциация.

Аl₂(SO₄)₃--- 2Аl³⁺ +3SO₄^2-

далее Al^{3 +} + 3Н₂О ----- Аl(ОН)₃ + 3Н⁺

Хлопья Аl(ОН)₃, осаждаясь захватывают частицы загрязнений, находящихся в воде. Процесс образования Аl(ОН)₃ зависит от рН среды.

Примерные значения величин рН, при которых протекает процесс коагуляции после введения в воду сернокислого алюминия, приведены в таблице 3.3

Оптимальные значения рН при обработке вод различного состава сернокислым алюминием.

Таблица 3.3

Характеристика воды	Оптимальные значения рН
осветление и обесцвечивание мягких цветных вод со щелочностью до 1,5 мг – экв/л и цветностью более 50 град.	5 – 6
осветление и обесцвечивание вод средней жесткости ( 4- 5 мг-экв/л ) со щелочностью 3 – 4 мг- экв/л и цветностью до 40 град осветление жестких (6 – 8 мг-экв/л) малоцветных вод с повышенным солесодержанием ( 800 – 1000 мг/л ) и щелочностью более 5 мг- экв/ л.	6,5 – 7,5

Большое значение имеют условия растворимости гидроокиси алюминия и основных сульфатов алюминия. Если после отсеивания и фильтрования с очистной станции в водопроводную сеть поступает вода с содержанием алюминия, превышающим растворимость его соединений, которые образуются при данных величинах рН, то это означает, что вода находится в состоянии пересыщения соединениями алюминия и возникает опасность так называемой « отлежки », т.е выделения осадка соединений алюминия в трубах.

В качестве коагулянтов, как указано выше, применяют сернокислое закисное железо FеSO₄ 7Н₂О ( железный купорос, хлорное железо FеСl₃ и сернокислую окись железа Fе₂ (SO₄ )₃.

Оптимальное значение рН для солей железа равно рН = 7,5 – 8. При недостаточной величине рН воды и при недостатке кислорода железо Fе²⁺ может оставаться в воде, выходящей из очистной станции.

При использовании в качестве коагулянтов солей железа дозы последних при очистке мутных вод можно принимать на 10 – 20 % меньше, чем сернокислого алюминия (в пересчете на безводные продукты). Выше указывалось, что при недостатке природной щелочности для проведения процесса коагуляции, воду нужно подщелачивать. Доза щелочи для обеспечения коагуляции, воду нужно подщелачивать. Доза щелочи для обеспечения коагуляции может быть определена по формуле

( 3.1 )

где М – доза реагента (технического продукта) для подщелачивания воды в мг / л ;

Д – доза коагулянта в пересчете на безводное активное вещество в мг / л ;

е₁ и е₂ – эквивалентный вес активной части соответственно реагента для подщелачивания и коагулянта в мг/мг – экв (табл. 3.3)

Щ – общая щелочность обрабатываемой воды в мг – экв / л;

С – содержание активного вещества в реагенте для подщелачивания воды в %;

1 – резервная щелочность, которая должна оставаться после обработки воды коагулянтом в мг – экв / л.

Эквивалентные веса активной части реагентов, используемых при очистке воды коагулированием.

Таблица 3.3

Реагент для подщелачивания	Эквивалентный вес в мг / мг - экв	Коагулянт	Эквивалентный вес в мг / мг – экв
СаО	28	Аl2(SO4)3	57
Nа2СО3	53	FеСl3	54,1
NаОН	40	FеSO4 Fе2(SO4)3	76 66,7

Если при расчете по формуле (3.1) доза М получается величиной отрицательной, то это означает, что естественная щелочность воды достаточна и по соображениям сохранения резерва щелочности подщелачивания воды не требуется. Тем не менее добавление некоторого количества щелочного реагента в некоторых случаях может оказаться полезным для создания оптимальной величины рН и обеспечения благоприятных условий коагуляции.

3.2 Принципы процесса осветления воды в сооружениях.

В практике проектирования и эксплуатации очистных сооружений до последнего времени существовало большое разнообразие в конструкциях осветлителей и методах их расчета. Такое положение явилось следствием экспериментальных поисков наилучшей конструкции при недостаточной разработке теоретических основ технологии осветления воды во взвешенном осадке.

Обобщение накопленного опыта использования осветлителей в конечном счете позволило установить необходимость выполнения следующих трех основных требований.

1. Создание оптимальных условий для формирования взвешенного фильтра и удержания избыточной взвеси. Выполнение этого требования возможно, если обеспечивается преимущественно контактная коагуляция, поддерживается определенная концентрация взвешенного фильтра, создаются необходимые гидравлические условия, исключающие старение, чрезмерное укрупнение и выпадение хлопьев на дно, обеспечивается необходимое время пребывания воды во взвешенном фильтре. В современных осветлителях выполнение этих требований нашло отражение в уменьшении объема зоны распределения (нижней части взвешенного фильтра ), создании условий для непрерывного снижения скорости воды ( наклонные стенки величиной расширения взвешенного слоя в потоке осветляемой воды и концентрацией взвешенного фильтра.

2. Создание оптимальных условий для стабилизации взвешенного фильтра и эффекта осветления воды. Выполнение этого требования осуществляется при помощи принудительного отбора избыточного осадка, создания разности скоростей движения воды на границе между зоной взвешенного фильтра и зоной осветления, обеспечения равномерного сбора осветленной воды. Избыток осадка вместе с частью воды, следующей через взвешенный фильтр, отбирается через окна или трубы из выходной части взвешенного фильтра, а осветленная вода – через систему желобов с затопленными отверстиями или вырезами (водосливами ) в их бортах. Для принудительного движения воды через зону отделения осадка используется перепад уровней на осветлителе и за ним, в сборном кармане.

3. Создание оптимальных условий для отделения, уплотнения и сброса в канализацию избыточного шлама. С этой целью расчетная скорость подъема воды в зоне отделения осадка принимается несколько (на 10 – 15 % ) меньшей по сравнению с расчетной скоростью в зоне осветления. Уплотнение осадка осуществляется в течении 4 – 12 ч ( и на это время рассчитывается рабочий объем осадкоуплотнителя). Угол наклона стенок осадкоуплотнителя к сбросному отверстию или сбросной системе принимается достаточным ( 50-60⁰ ) для сползания уплотнившегося осадка без дополнительного воздействия.

На рисунке 3.1 представлена простейшая схема осветлителя с коническим диффузором.

Вода с реагентами поступает в осветлитель из воздухоотделителя по трубопроводу 1 в нижнюю часть конуса диффузора 2. Поднимаясь вверх, поток воды расширяется, скорость его уменьшается до величины, при которой в диффузоре образуется слой взвешенного осадка 3. По мере накопления осадка его избыток переливается через кромку диффузора и опускается в осадкоуплотнитель 4. Осветленная вода проходит через защитный слой воды над диффузором и по сборному желобу 5 отводится на фильтры. Осадок через дырчатую трубу 6 непрерывно или периодически по трубопроводу 7 отводится в канализацию.

3.3 Основные расчетные формулы и параметры осветлителей.

В технологических схемах осветления воды хозяйственно – питьевых вод изложенные выше требования выполняются в конструкциях с центральными осадкоуплотнителями (рис. 3.3.1. и 3.3.2.)

Основные формулы для расчета осветлителей позволяют определить необходимые площадь осветлителя в плане и объём зон накопления и уплотнения осадка

Площадь зоны осветления в м² принимается наибольшей из определённых по формулам

(3.3.1)

или

(3.3.2)

где

К_р и К^/ _Р – коэффициенты распределения воды между зонами осветления и отделения осадка для летнего Q₀ и зимнего Q^/ ₀ расчётного расхода осветлителей в м³/ч

v_з.о и v^/_з.о. – соответствующие летнему и зимнему периодам расчётные скорости в зонах осветления мм/сек

Площадь зоны осветления осадка м² в осветлителях с центральным осадкоуплотнителем

(3.3.3)

где α – коэффициент снижения скорости движения воды в зоне отделения осадка по сравнению со скоростью в зоне осветления принимаемым равным 0,9

Полная площадь осветлителей в м²:

с центральным осадкоуплотнителем

(3.3.4)

с поддонным осадкоуплотнителем

где f _отб - суммарная площадь сечения труб в м² для отбора осадка в осадкоуплотнитель, определяемая в зависимости от расчётной скорости движения воды в трубах, равной v_отб.= 40 – 60 мм/сек по формуле

(3.3.5)

Объём зон накопления и уплотнения осадка в м³

(3.3.6)

где

М₀ - Максимальное содержание взвешенных веществ в мг/л в воде, поступающей в осветлители;

m - Расчётное содержание взвеси в осветлённой воде, пренимаемое равное 8 -12 мг/л;

t_y – время уплотнения осадка: t_y = 3 – 6 часов при М₀>400мг/л и

t_y=6 – 12 часов при М₀<400мг/л.

δ_СР – средняя концентрация взвешенных веществ в осадкоуплотнителе в мг/л.

Основные данные по расчётам по формулам (3.3.1), (3.3.3), (3.3.6) представлено в таблицах (3.3.1) и (3.3.2)

Таблица (3.3.1)

Расчётные скорости осветления и коэффициенты распределения

Мо в мг / л	vз.о в мм / сек			Кр
	зимой	летом
10 - 100	0,7 – 0,8	0,9 - 1	0,8 – 0,75
100 - 400	0,8 - 1	1 – 1,1	0,75 – 0,7
400 - 1000	1 – 1,1	1,1 – 1,2	0,7 – 0,65
1000 - 2500	1,1 – 1,2	1,1 – 1,2	0,65 – 0,6

Средние концентрации осадка в осадкоуплотнителях. Таблица 3.3.2

Мо в мг/л	Средняя концентрация ( δср ) в мг/л при tу в ч
	3	4	6	8	12
<100		6500	7500	8000	8500	9500
100 - 400		19000	21500	24000	25000	27000
400 - 1000		24000	25000	27000	29000	31000
> 1000		29000	31000	33000	35000	37000
Полная глубина осветлителей определяется по таблице. Таблица 3.3.3 Высотные размеры осветлителей.

Параметры	Величина	Примечание
Глубина зон осветления Нз.о	1,5 - 2	1. При назначении глубин зон меньшие значения следует относить к мутным водам ( Мо ≥ 400 мг/л)
взвешенного осадка Нз.в Высотные размеры: от плоскости отбора осадка до начала наклонных стенок У1	2 – 2,5 1,5 – 1,75	2. Глубиной Нз.в считается растояние от плоскости отбора осадка до плоскости, где скорость восходящего потока достигает 2 мм /сек

Основная формула для определения расчетных расходов осветлителя:

в м³/сут ( 3.3.7 )

где :

Т – время работы осветлителей в течение суток;

Т = 24 ч

t_пр – продолжительность в ч продувки одного осветлителя (включая время на подготовку продувки) ;

n – число продувок одного осветлителя в течение суток ;

К_n – коэффициент, определяющий степень снижения выдачи воды продуваемым осветлителем; расчетное значение К_n следует принимать равным единице. Это условие означает, что расчетный продувочный расход Q_пр будет равен расчетной подаче на осветлитель и при продувке уровень воды не станет ниже расчетного.

Расчетная продолжительность в часах самой продувки определяется по формуле.

( 3.3.8 )

где

К _пр – коэффициент разжижения осадка при его сбросе;

равен 1,2 ;

q_пр – продувочный расход в м³/ч ; при Rн = 1 Q_пр = Q₀ ( расчетной производительности осветлителя ).

Необходимая наименьшая глубина в зависимости от типа осветлителя приближенно может быть определена по формулам:

Н _мин = 1,9А > 0,6А + 3 м, (3.3.9 )

где

А – расчетный линейный параметр при определении глубины: ширина полосы зоны осветления, обслуживаемой одной распределительной трубой и двумя сборными трубами (или желобами ) или кольцевым желобом.

Наибольшее значение параметра А – диаметр, радиус или сторона осветлителя, ширина прямоугольной или кольцевой полосы – должно составить (из условия обеспечения равномерного отбора воды ) 3 – 3,5 м, а фактическая величина определяется в результате расчета размеров зоны осветления.

Если в соответствии с высотной схемой можно применить несколько типов, то решающим фактором в выборе одного из них будет величина потребной для их размещения площади, которую можно вписать в стандартную сетку размеров промышленных зданий. Окончательный выбор типа осветлителя в этом случае определяет наименьшее значение необходимой производственной площади.

Для предварительной ориентировки в выборе типа осветлителя может быть использована таблица, в которой приведены приближенные размеры осветлителей в зависимости от общей производительности установки ( в расчетах были приняты : v_з.о = 1 мм / сек ; Кр = 0,8 ; М_о = 500 мг / л ; t_у = 4 ч ;

Таблица 3.3.4

Вспомогательная таблица к выбору типа осветлителя

Qо в м3 / сутки	Основные показатели	Тип осветлителя
		круглый тип IV	прямоугольный тип V
		с центральным осадкоуплотнителем
2000	N∙ F1 A или A ∙В Н мин	3∙8 1 ∙3,2 3,6	3∙8 1 ∙3; С = 0,6 3,6
5000	N∙ F1 A или A ∙В Н мин	3∙ 20 1,25∙5 3,75	3∙ 20 2∙ 5; С = 1 4,2
10000	N∙ F1 А или А∙В Н мин	∙30 1,6 ∙ 6,2 4	30 2 ∙6 ; С = 1,2 4,2

где : N – число осветлителей

F₁ – площадь одного осветлителя

А – расчетный линейный параметр

В – длина или диаметр осветлителя

С – ширина по верху зоны отделения осадка

3.4 Расчет осветлителей для проектируемой станции водоочистки

Предположим, что проектируемые осветлители должны выдавать осветленную воду с m = 10 мг / л на группу фильтров, работающих в режиме, который допускает изменение скорости фильтрования при отключении одного из фильтров на промывку или ремонт. Расчетная подача воды на фильтры Q_о = 12 000 м³ / сутки (летний период ). Зимний расход на объекте водопотребления Q_з = 10 000 м³ / сутки.

Расчетные показатели, характеризующие качества исходной воды для летнего периода: М = 300 мг / л, Ц = 40 град; для зимнего периода: сернокислого неочищенного алюминия – 60 мг / л в расчете на безводный продукт; извести – 45 мг / л в расчете на СаО.

В соответствии с высотной схемой полная глубина осветлителей не должна превышать 4,5 м. Размеры помещения, в котором разместятся осветлители вместе с фильтрами, должны быть не более 24 60 м. Число фильтров – 7, их ширина ( в осях ) – 5,5 м , общая длина – 34 м.

Расчетные расходы. Прикидочные расчеты по формулам 3.3.1 и 3.3.2 при расчетных значениях v_з.о = 1 мм / сек, Kр = 0,75, v_з.о = 0,8 мм / сек, Кр = 0,8, принятых по таблице 3.3.1 позволили установить, что для расчета зон осветления исходным должен быть зимний расход, который с учетом собственных потребностей фильтров в этот период, оцениваемых в 5%, равен Q_ф’ = 10000 м³ / сутки.

Исходным расходом для расчета осадкоуплотнителя и всех элементов осветлителя является наибольший (летний ) расход Q_ф = 10 500 м³ / сутки.

Расчетные расходы ( пока приближенно ) определяют по формулам 3.3.7 при t_пр = 0,3 ч и n = 4 ( с последующей проверкой при полученном на основании дальнейших расчетов t _пр ).

Расчетный расход для зон осветления

Расчетный расход для осадкоуплотнителей

Q₀^ЗУ= 1,05 ∙12000=12600 м³/сутки

Определим далее: число, тип и основные размеры осветителей. Из таблицы 3.3.4 (справочник : Проектирование водопроводных очистных сооружений. Автор Н.Б Серебряков, М : стройиздат 1984 г ) следует что при расчетном расходе около 10 000 м³ / сут и при использовании осветлителей с поддоными осадкоуплотнителями необходимая глубина осветлителей составит около 8 м при допустимой по высотной схеме не более 4,5. Поэтому на станции должны быть применены осветлители с центральным осадкоуплотнителем типа (рис. 3.3.1 – 3.3.2).

Общая площадь зон осветления определяется по формулам 3.3.1 и 3.3.2 при значениях Кр и v_з.о , принимаемых по таблице 3.3.1 для содержания взвеси до 100 мг /л в зимний период : v_з.о = 0,8 мм / сек, Кр = 0,75.

F_з.о = = 114 м³

Общая площадь зон отделения осадка по расходу Q_о^з.у = 10590 м³ / сутки определяется по формуле при значениях v_з.о = 1 мм / сек, Кр = 0,7 , принимаемых для М_о = 100 – 400 мг / л .

Полная площадь F = 114 + 50 = 164 м²

Число осветлителей должно быть не менее четырёх.

Тогда площадь одного осветлителя

F₁ = 164 / 4 = 40 м²

При F₁ = 40м² основные размеры равны : диаметр осветлителя 8 м, центрального осадкоуплотнителя D_з.отд = 5м, А = 1,5м, Нмин = 3,9м. При однорядном расположении осветлителей параллельно фильтрам необходимая длина зала для их размещения не будет превышать 60м, а требуемый стандартный пролет здания – 24 м;

Необходимая длина зала для размещения осветлителей и фильтров может быть ограничена стандартной величиной 54 или 60м.

Из сравнения ясно определилась техническая возможность и экономическая целесообразность применения на станции осветлителей V типа.

Высотные размеры осветлителя в м принимаются по рекомендациям СниП, изложенными выше :

глубина зоны осветления – 1,5

расстояние от нижней границы зоны осветления до сечения, где вертикальные стенки переходят в наклонные – 1,5

глубина сужающей части при значении α₁ = 50

полная глубина – 4,1

( проверка по формуле Н >1,9 ∙ 1,85 = 3,5м )

высота бортов – 0,5

Наибольшая концентрация взвеси в воде, поступающей на осветлитель, определяется по формуле

М_о = М + К_кД_к + 0,25ц + М_из