Основные процессы обработки воды

7. Основные процессы обработки воды

Качество воды природных источников, так же как и требования, предъявленные к качеству различными потребителями весьма разнообразны. Оценка качества воды природного источника с точки зрения требований потребителей позволяет решить вопрос о возможности его использования для определенного потребителя, а также установить необходимость и характер обработки воды на очистных сооружениях.

По своему качеству вода, идущая на хозяйственно-питьевые нужды, должна отвечать требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая».

Возможность использования источника воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения обуславливается ГОСТ 2761-57^*«Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Правила выбора и оценки качества».

К воде, идущей на технологические нужды промышленных предприятий, предъявляются специальные требования, устанавливаемые ведомственными нормами и техническими условиями.

7.1. Основные методы обработки воды

Сравнивая данные качества воды природных источников (полученные по результатам анализа) с требованиями потребителей определяют мероприятия для ее обработки.

В практике водоснабжения применяются следующие основные технологические операции для улучшения качества воды:

- осветление – удаление взвешенных веществ;

Рекомендуемые материалы

- обесцвечивание – устранение веществ, придающих воде цвет;

- обеззараживание – уничтожение содержащихся в воде бактерий;

- опреснение – частичное удаление растворенных солей до норм;

- умягчение – удаление солей кальция и магния, обуславливающих жесткость воды;

- обезжелезивание – освобождение воды от растворимых соединений железа;

- обесфторивание – удаление соединений фтора;

- фторирование – добавление в воду фтора;

- дегазация – удаление из воды растворимых газов (H₂S, CO₂ , O₂);

- дезактивация – удаление из воды радиоактивных веществ.

Перед использованием воды в технологических системах потребителей ее необходимо обработать. Основные процессы обработки воды для технического водоснабжения проходят в очистных сооружениях, в задачу которых входит:

1. удаление из воды содержащихся в ней взвешенных (нерастворимых) веществ (осветление воды);

2. устранение веществ, обуславливающих цветность воды (обесцвечивание воды);

3. уничтожение содержащихся в воде бактерий (обеззараживание воды);

4. удаление из воды катионов кальция и магния (умягчение воды).

7.1.1. Осветление воды

Удаление взвешенных механических примесей природных и сточных вод чаще всего осуществляется:

1. путем отстаивания воды в отстойниках;

2. пропуском воды через слой ранее выпавшего осадка в осветлителях;

3. пропуском воды через слой зернистого материала в фильтрах, или же путем комбинированного использования данных устройств.

Отстаивание воды

Отстаивание воды осуществляется в горизонтальных, вертикальных и радиальных отстойниках.

Горизонтальные отстойники

Горизонтальный отстойник представляет собой бассейн прямоугольной формы длиной L, шириной В, глубиной Н.

Рисунок 7.1 - Горизонтальный отстойник

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

Размеры отстойника следует определять в соответствии с рекомендациями СНиП. Если ширина отстойника значительна, то он разделяется продольными перегородками шириной не более 6м. Объем зоны накопления отстойника должен быть рассчитан на прием осадка, выпадающего между его шестками, м³:

где Q_сут – суточная производительность отстойника, м³/сутки;

N–средняя в период между выпусками осадков расчетная мутность поступающей воды, мг/л;

N– заданная мутность отстоянной воды, мг, л;

T – продолжительность периода между выпусками осадков, сут;

– расчетная концентрация уплотненного осадка в зоне накопления, г/л.

При изменении N от 100 до 2500 мг/л значение изменяется от 8 до 40 г/л. При значительном содержании взвешенных частиц в осветляемой воде удаление осадка из отстойника должно быть механизировано. С этой целью устанавливаются скребковые транспортеры с насосом или системы дырчатых труб.

Горизонтальные отстойники экономически оправдываются при необходимости осветлять более 10 м³/с воды. Как правило, сооружают не менее двух параллельно работающих горизонтальных отстойников.

В воду перед подачей в отстойник обычно добавляют коагулянт, способствующий укрупнению взвеси. Образующиеся при коагуляции крупные частицы осаждаются во много раз быстрее. В качестве коагулянта чаще всего применяют: сернокислый алюминий, железный купорос, хлорное железо (Al₂SO₄; FeSO₄; FeCl). Глубина зоны осаждения Н=2,5…3,5м.

Вертикальные отстойники

В вертикальных отстойниках осветляемая вода движется вертикально – снизу вверх. Вертикальные отстойники применяют при обработке не более 1,0 м³/с воды.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический корпус (рисунок 7.2) с коническим днищем и центральной цилиндрической трубой.

1 – корпус;

2 – центральная труба;

3 – подающая труба;

4 – сборный желоб;

5 – отводная труба;

6 – гаситель;

7 – труба отвода осадка.

– скорость движения воды;

u – скорость выпадения частиц

(в неподвижной воде)

Рисунок 7.2 - Вертикальный отстойник

Отстаивание воды осуществляется следующим образом. Вода по тубе 3 подается в верхнюю часть центральной трубы 2 и, опускаясь по ней вниз, проходит через гаситель 6 в нижнюю часть корпуса отстойника. Далее вода движется со скоростью 0,5…0,6 мм/с вверх по кольцевому сечению между корпусом и центральной трубой и отводится через сборный желоб 4 и отводную трубу 5. Взвешенные частицы во время восходящего движения воды стремятся опуститься со скоростью выпадения частиц u вниз.

Все частицы, у которых будут задерживаться в отстойнике и постепенно оседать в его нижней части, угол конусности которой обеспечивает сползание осадка к трубе отвода его по 7. По трубе 7 осадок периодически удаляется из отстойника без выключения его из работы.

Высота цилиндрической части отстойника Н=4…5м. Диаметр отстойника можно определить по формуле:

где Q – расчетное количество воды, проходящей через отстойник, м³/с;

– коэффициент объемного использования отстойника, учитывающий наличие зон с локальными значениями скорости движения воды больше ?;

d – диаметр центральной трубы определяется по соотношению:

– время пребывания взвешенной частицы в центральной трубе, с.

Рекомендуется в вертикальных отстойниках иметь отношение D/H1,5. Вертикальные отстойники, как правило, используют коагулированную воду.

Радиальные отстойники

Радиальные отстойники (рисунок 7.3) имеют радиальное направление воды и представляют собой круглый железобетонный резервуар большого диаметра и небольшой глубины - D/H>3,5. При увеличении отношения D/H возрастают горизонтальные составляющие скорости движения воды, причем значение скорости по мере продвижения воды от центра к периферии снижается.

1 – железобетонный резервуар;

2 – центральный распределительный цилиндр;

3 – круговой водосливной желоб;

4 – отводная труба;

5 – скребки;

6 – вращающаяся ферма;

7 – приямок;

8 – грязевая труба.

Рисунок 7.3 - Радиальный отстойник

Отстаивание воды осуществляется так: вода подается в центральную часть отстойника внутрь цилиндра 2 с глухим дном и дырчатыми стенками, погруженного в отстойник на глубину Н. Через отверстия в стенках цилиндра поток воды равномерно распределяется по отстойнику и движется к его периферии, где поступает в круговой водосливной желоб 3. Затем вода отводится из желоба по трубам 4. Осадок выпадает на дно отстойника и специальными скребками 5, закрепленными на медленно вращающейся вокруг центра отстойника ферме 6, сгребается в приямок 7, откуда удаляется по грязевой трубе 8.

Радиальные отстойники устраивают диаметром 5…60м. Глубина отстойника по его периферии h=1,5…2,5м. Дно отстойника выполняется с уклоном по направлению к центру. Глубина отстойника в центре:

где R – радиус радиального отстойника;

i – уклон днища отстойника, принимается равным 0,04.

Безнапорный Гидроциклон

Гидроциклон представляет собой цилиндрический корпус с вытянутым коническим днищем (рисунок 7.4).

1 – корпус;

2 – коническое днище;

3–тангенциально расположенный подающий патрубок;

4 – выпускной патрубок;

5 – отводящий патрубок.

Рисунок 7.4 – Гидроциклон

Принцип работы гидроциклона следующий: вода подается в корпус 1 через тангенциально расположенный патрубок 3. При вращении воды частицы взвеси отгоняются к цилиндрической стенке корпуса 1 и сползают по ней в конусное днище, из которого удаляются через выпуск 4. Осветленная вода отводится из центра корпуса 1 через патрубок 5.

Производительность гидроциклона может быть определена по формуле:

где Q – количество осветляемой воды, м³/ч;

– коэффициент, учитывающий потери воды в осадке и равный 0,85…0,90;

– коэффициент расхода гидроциклона;

– площадь сечения подающего патрубка;

– потери напора в гидроциклоне.

Эффективность работы гидроциклона возрастает с увеличением скорости вращения воды (и, следовательно, расхода воды). Причем эта скорость (при заданной производительности) будет тем больше, чем меньше диаметр гидроциклона. При этом одновременно будут возрастать ?Н и расход энергии на подачу воды.

Для удаления тонкодисперсной взвеси оказывается рациональным применение гидроциклонов весьма малых диаметров (порядка 10…20мм). Для возможности осветления заданных количеств воды при этом приходится использовать значительное число параллельно включенных гидроциклонов.

Осветвление воды в осветлителях

При повышенных требованиях технологии к качеству воды и наличию в исходной воде большого количества мелкодисперсной взвеси осветвление в отстойниках может оказаться недостаточным и потребуется дополнительная стадия очистки. Рассмотрим одну из возможных конструкций осветлителя – осветлитель с поддонным осадкоуплотнителем и дырчатым днищем (рисунок 7.5). Осветлитель представляет собой цилиндрический сосуд с конусным дном.

1 – корпус;

2 – коническое дно;

3 – подводящий патрубок;

3^а – вертикальная труба;

4 – лоток;

5 – дырчатые трубы;

6 – взвешенные слои осадка;

7 – осадкоотводящие трубы;

8 – труба;

9 – отводящий патрубок;

10 – лоток;

11 – патрубок отвода;

12 – сплошное днище;

13 – дырчатое днище.

Рисунок 7.5 - Осветлитель с дырчатым днищем

Вода с коагулянтом через подводящий патрубок 3 подводится в лоток 4, служащий воздухоотделителем, а из него по вертикальной трубе 3^а подается в дырчатые трубы 5. Через отверстия в этих трубах вода поступает в пространство, ограниченное снизу сплошным днищем 12, а сверху – дырчатым днищем 13. Днище 12 разделяет осветлитель на камеру осадкоуплотнения и основную камеру.

Через отверстия в дырчатом днище вода проходит в основную камеру, в которой происходит выпадение взвешенных частиц. Частицы, выпадающие из воды, оседают на поверхности дырчатого днища, образуя слои взвешенного осадка 6.

Последующие порции воды фильтруются через этот слой, очищаясь в нем как от крупных, так и от мелких взвешенных частиц.

Затем вода поднимается вверх и переливается в лоток 10, из которого отводится через отводящий патрубок 9.

Для того, чтобы осветлитель полностью не заполнялся осадком в днище 12 заделывается система осадкоотводящих труб 7, высота которых определяет высоту фильтрующего слоя осадка 6.

Камера осадкоуплотнения через трубу 8 соединяется с лотком 10. Так как уровень воды в основной камере выше, чем в лотке 10, то под действием этой разности-уровней возникает циркуляция воды из основной камеры через трубы 7 в камеру осадкоуплотнения, а из нее через трубу 8 в лоток 10. При этом вода, сливающаяся в трубы 7, захватывает весь слой осадка выше их уровня. Осадок, попадая в камеру осадкоуплотнения, осаждается в поддонном осадкоуплотнителе. По мере накопления осадок отводится через патрубок 11.

Процессы, происходящие во взвешенном слое осадков, очень сложны. Поэтому трудно определить численные соотношения между требуемым эффектом осветления и основными параметрами взвешенного слоя, и расчет осветлителей основан на использовании результатов технологического моделирования. СНиП рекомендует принимать расчетные скорости восходящего движения коагулированной воды над слоем взвеси и долю воды, уходящую в осадкоуплотняющую камеру k_о по данным следующей таблицы.

Суммарная площадь осадкоотводящих труб, м², определяется по формуле

где – скорость движения осадка с водой в осадкоотводящих трубах, мм/с (обычно =40…60 мм/с);

Q – количество воды, проходящее через осветлитель, м³/с.

Диаметр осветлителя определяется по следующему соотношению

Высота слоя взвешенного осадка принимается равной 2…2,5 м, а зоны осветления над слоем взвеси от 1,5 до 2,0м.

7.1.2. Фильтрование воды

Важной стадией осветления воды является ее фильтрование. При фильтровании вода проходит через пористую среду, образованную слоем фильтрующего материала. Существует большое разнообразие фильтров, различающихся:

1) видом фильтрующегося материала;

2) скоростью фильтрования;

3) механизмом задержания взвешенных частиц;

4) конструктивным оформлением.

1) Фильтры по виду фильтрующей среды делятся на:

- зернистые - песок, антрацит, керамзит;

- сетчатые – сетки с ячейками различных размеров;

- каркасные или намывные – диатомитовые;

- с плавающей загрузкой – гранулы вспененного пенополистирола.

2) По скорости фильтрования различают:

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

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

- сверхскорые (25 м/ч (напорные).

3) По характеру механизма задержания взвеси различают:

1. Фильтрование через фильтрующую пленку, образованную частицами взвеси, оседающими на поверхности загрузки. Этот механизм характерен для медленных фильтров, в которых вначале задерживаются только частицы, имеющие размеры больше размеров пор фильтрующего материала. По мере задержания частиц размеры пор в слое осадка уменьшаются, и он задерживает все более мелкую взвесь.

В этих фильтрах в процессе работы качество осветвленной воды (фильтрата) постоянно улучшается, но одновременно растет гидравлическое сопротивление фильтрующей пленки и необходимая высота столба воды над фильтрующим слоем. Для восстановления начального гидравлического сопротивления через 1-2 месяца работы фильтрующая пленка вместе с верхним слоем фильтрующего материала толщиной 1-2 см снимается.

Для медленных фильтров не требуется коагуляция воды, но из-за небольшой скорости фильтрования фильтры имеют большие размеры и в настоящее время на промышленных предприятиях используются мало.

2. Фильтрование без образования фильтрующей пленки. В этом случае задержание частиц, загрязняющих воду, происходит в толще слоя фильтрующего материала. Там они прилипают к зернам материала и удерживаются на них.

Этот механизм характерен для скорых и сверхскорых фильтров.

В процессе работы фильтров оседающие или прилипающие частицы сокращают размеры пор фильтрующего материала. Следовательно, увеличивается скорость движения воды через поры, что приводит к увеличению потерь напора в фильтрующем слое. Потери напора могут возрастать до тех пор, пока через определенный промежуток времени они не превысят величину максимального (обычно 3 м) располагаемого напора перед фильтром, после чего фильтр должен очищаться.

Кроме того, из-за увеличения скорости движение воды в порах начинается частичный вынос ранее осевших частиц взвеси, и качество фильтрата осветленной воды ухудшается. Через определенный промежуток времени работы фильтров (₃ качество осветленной воды становится ниже требуемых по нормам, и фильтр также должен очищаться.

Как значения , так и значения зависит от качества воды, характеристик взвеси, фильтрующего материала, толщины фильтрующего слоя и скорости фильтрования.

Значение уменьшается при увеличении скорости фильтрования, увеличении высоты фильтрующего слоя, уменьшении частиц фильтрующего материала.

Значение уменьшается при увеличении скорости фильтрования, уменьшении высоты фильтрующего слоя, увеличении частиц фильтрующего материала.

Размер частиц фильтрующего материала и толщину фильтрующего слоя подбирают таким образом, чтобы / =1,3…1,5.

Принципы работы скорых фильтров

Фильтры, работающие по принципу скорого фильтрования, или «скорые фильтры», широко применяются в практике очистки воды. Скорость фильтрования для этих фильтров принимается от 6 до 12 м/ч в зависимости от типа фильтров и крупности загрузки.

Скорые фильтры используют для осветления мутных и цветных вод после коагулирования и отстаивания, при умягчении, обезжелезивании и в некоторых других случаях.

Вода в процессе фильтрования может проходить через скорые фильтры:

1) самотеком – благодаря превышению уровня воды в фильтре над уровнем воды в резервуаре чистой воды (в который вода отводится);

2) под напором (обычно создаваемым насосами) – фильтры в этом случае устраиваются в виде закрытых напорных резервуаров.

В соответствии с этими принципами работы различают фильтры самотечные и напорные.

Осветление воды в самотечном фильтре

Обычные самотечные фильтры устраивают чаще всего в виде прямоугольных в плане железобетонных резервуаров (или металлических). На рисунке 7.6 (а и б) показаны схематически устройство и принцип работы скорого фильтра.

1 – дренажное устройство;

2 – слой поддерживающего материала (гравия);

3 – слой фильтрующего материала (песка);

4 – желоб;

5 – карман.

Рисунок 7.6 -Самотечный скорый фильтр

Фильтр работает следующим образом: вода подается в карман 5, из него через желоб 4 поступает в пространство над фильтрующим материалом, создавая столб воды. Под действием сил гравитации вода просачивается через фильтрующий материал 3, очищаясь от взвешенных частиц. Затем проходит слой гравия 4 и отводится при помощи дренажных устройств 5.

Пропускная способность фильтра определяется скоростью фильтрования (_Ф, т.е. скоростью вертикального движения воды через фильтрующий слой, м/ч:

где Q_ф – количество воды, проходящей через фильтр, м³/ч;

F_ф – площадь фильтра, м².

При промывке фильтр выключается из работы, промывочная вода подается снизу через дренажное устройство и проходит слой гравия и песка в обратном направлении. Затем промывочная вода отводится через желоб 4 и патрубок сброса промывочной воды.

При очитке фильтров очищенная вода подается со скоростью в несколько раз превышающей скорость фильтрации. Обратный поток воды встряхивает песок и интенсивно отмывает его от загрязнений практически за 5…7 минут.

Опыт эксплуатации скорых фильтров показывает, что их необходимо очищать 1-2 раза в сутки, а иногда и чаще.

Определение размеров фильтров

Площадь одного фильтра определяется по формуле:

где F_полн – требующаяся полная площадь фильтров, м²;

n – количество параллельно работающих фильтров, шт.

Количество параллельно работающих фильтров определяется по соотношению

,

а требуемая полная площадь фильтров по формуле:

,

где Q_сут – суточная расчетная потребность в воде снабжаемого объекта, м³/сутки;

– скорость фильтрования (=Q_ф/F_ф), м³/ч;

q – расчетная интенсивность промывки фильтров, л/(с(м²);

– длительность одной промывки фильтра, (=0,09...0,11ч);

– длительность перерывов в работе фильтра, (=0,33ч);

– длительность сброса первого фильтра после очередной промывки, (=0,17ч);

m – количество промывок одного фильтра в сутки.

Расчетная скорость фильтрования в зависимости от характера материала фильтрующего слоя и его высоты определяется в соответствии с рекомендациями СНиП.

Осветление воды в напорных фильтрах

После самотечных очистных сооружений в систему водоснабжения должна включаться насосная станция 2^го подъема. Применение напорных фильтров позволяет проводить через них воду под напором насосов станции 1^го подъема, т.е. исключить из системы станцию 2^го подъема и сократить капитальные и эксплуатационные затраты.

В системах технического водоснабжения очень часто применяют осветление воды только в фильтрах, что позволяет исключить очистку в отстойниках и осветлителях и даже коагулирование. В этих случаях применяют грубозернистые фильтры с повышенными скоростями фильтрования (10…15 м/ч).

Загрузка таких фильтров состоит из песка или дробленого антрацита с крупностью зерен от 0,8 до 2,5 мм. Увеличение крупности зерен регламентирует толщину фильтрующего слоя – 1,5…3,0 м. Эти фильтры необходимо часто промывать (одновременно с промывкой фильтры продувают воздухом, сокращая тем самым расход промывочной воды).

Осветление воды только в фильтрах позволяет создавать систему производственного водоснабжения без насосной станции 2^го подъема, т.е. сократить капитальные и эксплуатационные затраты. В этих случаях используют напорные фильтры. Они выполняются в виде стальных цилиндрических резервуаров, рассчитанных на заданное внутреннее давление, позволяющее подавать воду после фильтров к потребителю (рисунок 7.7). Внутри резервуаров размещаются элементы, аналогичные элементам самотечных фильтров.

1 – корпус фильтра;

2 – дырчатые трубы для подачи воды;

3 – фильтрующий материал;

4 – распределительная система для воздуха;

5 – нижний дырчатый коллектор для сбора фильтрата;

6 – штуцер для выпуска воздуха.

Рисунок 7.7 - Горизонтальный напорный фильтр

Потери напора в этих фильтрах не превышают 0,06…0,1 МПа. После прохождения фильтров остается еще достаточный напор для подачи воды в напорный резервуар, башню, либо непосредственно в сеть, снабжающую потребителей.

Изготовляются также напорные вертикальные фильтры. Наибольший диаметр изготавливаемых у нас вертикальных фильтров 3,4 м, что соответствует фильтрующей площади " 9м². Толщина фильтрующего слоя для фильтров всех диаметров принята равной 1м.

Для станции большой производительности требуется значительное число таких фильтров, в этих случаях целесообразно устанавливать горизонтальные фильтры. Горизонтальные фильтры при том же диаметре могут дать значительно большую площадь фильтрования за счет увеличения длины корпуса.

7.1.3. Обеззараживание воды, уничтожение запахов и привкусов

Задачи обеззараживания

Отстаиванием и фильтрованием не достигается полная очистка воды от содержащихся в ней микроорганизмов. Поэтому в системах хозяйственно-питьевого назначения и в некоторых системах технологического назначения (пищевая, фармацевтическая и др. промышленности) для окончательного удаления микроорганизмов применяется обеззараживание (дезинфекция) воды.

В некоторых случаях дезинфекция применяется как единственная самостоятельная мера очистки воды (например, при использовании подземных вод, ненадежных с санитарной точки зрения).

Обеззараживание воды может быть осуществлено при помощи различных мероприятий: хлорирование, озонированием, бактерицидным облучением и другими.

В современной практике очистки воды наиболее широкое распространение получила ее дезинфекция путем хлорирования.

Хлорирование воды

Для хлорирования воды на очистных станциях систем водоснабжения используется жидкий хлор и хлорная известь. Хлорная известь используется для станций малой производительности.

Хлорирование воды жидким хлором. При введении хлора в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты:

Далее происходит диссоциация образовавшейся хлорноватистой кислоты:

Получающиеся в результате диссоциации HOCl гипохлоритные ионы OCl^- обладают наряду с недиссоциированными молекулами HOCl бактерицидным свойством.

Сумма Cl₂+HOCl+OСl называется свободным активным хлором.

Назначение дозы хлора является исключительно важным: недостаточная доза хлора приводит к тому, что он не оказывает необходимого бактерицидного действия; излишняя доза хлора ухудшает вкусовые качества воды.

Расчетная доза хлора при проектировании обеззараживающей установки должна приниматься исходя из необходимости очистки воды в период ее максимального загрязнения (например, в период паводков).

Показателем достаточности принятой дозы хлора служит наличие в воде остаточного хлора (остающегося в воде от введенной дозы после окисления находящихся в воде веществ). Согласно требованиям ГОСТ 2874-73, концентрация остаточного хлора в воде перед поступлением ее в сеть должна находится в пределах 0,3...0,5 мг/л.

За расчетную дозу следует принимать ту, которая обеспечит указанное количество остаточного хлора.

Для осветленной речной воды доза хлора обычно составляет 1,5...3 мг/л, а при хлорировании подземных вод доза хлора обычно не превышает 1...1,5 мг/л.

При введении хлора в воду необходимо организовать хорошее смешение его с водой. До подачи хлорированной воды потребителю должно предшествовать время контакта хлора с водой (не менее 30 минут). Это происходит обычно в резервуаре чистой воды.

Иногда применяют хлорирование перед поступлением воды на отстойнике (предварительное хлорирование), что способствует процессу коагуляции и снижению расхода коагулянта на самих очистных установках, а также поддержанию хорошего санитарного состояния на них.

Хлор поступает на станцию в металлических баллонах в сжиженном состоянии. Из баллонов хлор подается в воду через специальные приборы – хлораторы, в которых осуществляется его дозирование и смешивание с водой. Получаемая «хлорная вода» поступает в обрабатываемую воду.

Хлораторы

Существуют хлораторы различных типов. По времени функционирования различают хлораторы непрерывного действия, рассчитанные на непрерывную подачу определенных количеств газа в единицу времени, и хлораторы порционные, которые подают через некоторый промежуток времени определенную порцию газа.

Существуют хлораторы, автоматически меняющие количество подаваемого хлора при изменении расхода обрабатываемой воды.

Кроме того, различают хлораторы напорные и вакуумные.

Недостатком напорных хлораторов является возможность утечки из них хлора, являющегося ядовитым веществом, что представляет собой опасность для обслуживающего персонала. Эта опасность отсутствует в вакуумных хлораторах, которые и рекомендуются для практического использования в установках по обеззараживанию воды.

Проектирование и эксплуатация хлораторных установок

При проектировании и эксплуатации хлораторных установок необходимо учитывать требования, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала от вредного воздействия хлора.

Помещение хлораторной должно быть расположено на первом этаже фильтровальной или насосной станции, либо примыкать к ним, либо находится в отдельном здании.

В помещении хлораторной, примыкающей к зданию фильтровальной станции, должно быть две двери: одна – ведущая в помещении станции, другая – ведущая наружу. Двери должны герметически закрываться. В помещении хлораторной необходимо предусмотреть систему искусственной вытяжной вентиляции.

При расходовании установкой более трех баллонов жидкого хлора в сутки при хлораторной необходимо устроить склад баллонов, рассчитанный на хранение трехсуточного запаса хлора.

Озонирование воды

Обеззараживание воды с помощью озона получает в настоящее время широкое распространение.

Озонирование осуществляется пропуском через воду озонированного воздуха, т.е. воздуха, в котором кислород частично переведен в трехатомную форму (О₃).

Озон обеспечивает надежное обеззараживание воды. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с хлором:

1) Получается непосредственно на станции очистки воды;

2) Не ухудшает вкусовых качеств воды;

3) Не приводит к возникновению в ней запахов.

Озон токсичен: предельно-допустимое содержание его в воздухе помещений, где находятся люди 0,00001 мг/л. следовательно, озоновые установки не должны пропускать озон в помещение.

Доза озона для обеззараживания воды колеблется в пределах от 0,6 до 3,5 мг/л в зависимости от свойств обрабатываемой воды.

Озон получается в озонаторах (генераторах озона) в результате тихого электрического разряда в подаваемом воздухе. Генераторы озона различных систем серийно изготовляются промышленностью.

Для смешения воды с озоном служат смесители, туда озон подается вместе с воздухом через распределительную систему. Контакт воды с мельчайшими пузырьками озона происходит в условиях противотока.

Опыт использования озона показывает возможность использования его для борьбы с вирусом, озонирование успешно используется также для обесцвечивания воды, борьбы с запахами и привкусами. Наконец, озонирование может использоваться для удаления из воды солей железа и марганца.

Бактерицидное облучение воды

Уничтожение бактерий, которые находятся в воде, может быть достигнуто путем обработки воды ультрафиолетовыми лучами.

Процесс обеззараживания воды бактерицидными лучами осуществляется на специальных установках. В этих установках вода тонким слоем обтекает источники бактерицидного излучения – ртутно - кварцевые или аргоно-ртутные лампы.

Обеззараживающие установки могут быть напорного и безнапорного типа, состоящие из нескольких (двух-пяти) последовательно соединенных камер. Производительность установки в зависимости от числа камер равна 30…150 м³/ч. конструкция установки допускает внутреннее давление до 0,5 МПа.

Метод обеззараживания воды бактерицидными лучами имеет ряд преимуществ по сравнению с хлорированием:

1) Простота в эксплуатации установок;

2) Нет необходимости в применении реагентов;

3) Не ухудшаются вкусовые качества воды.

Стоимость обеззараживания воды бактерицидными лучами не дороже стоимости хлорирования.

К недостаткам метода следует отнести то, что установка эффективно может работать с водой, обладающей наибольшей проницательностью для лучей – с прозрачной водой. Для воды повышенной мутности и цветности невозможно использовать установки этого типа.

Удаление запахов и привкусов в воде

Наличие запахов и привкусов в природной воде обуславливается выделением пахнущих веществ микроорганизмами и водорослями.

Для удаления запахов и привкусов можно применять хлорирование. Если хлорирование воды проводится для обеззараживания, то уничтожение запахов и привкусов может быть произведено попутно.

Для уничтожения запахов и привкусов, вызываемых микроорганизмами, применяется также метод сорбционного фильтрования. Воду фильтруют через слой активированного угля. Объем загрузки фильтра из активированного угля составляет 0,06…0,12 м³ на 1 м³/ч фильтруемой воды.

Уничтожению привкусов и запахов природной воды может также способствовать введение в нее перманганата калия (0,1..2 мг/л).

Запахи и привкусы в воде могут быть вызваны также наличием в ней некоторых неорганических веществ, например, сероводорода и железа. Уничтожение этих запахов и привкусов производится одновременно с процессами обезжелезивания воды и удаления из нее сероводорода.

Обезжелезивание воды

Наличие в воде большого количества железа придает ей неприятный привкус, делает ее непригодной для хозяйственно-проиводственного потребления и вызывает отложения в трубах водопроводной сети.

В соответствии с требованиями ГОСТ 2874-73 содержание железа в воде хозяйственно-питьевых водопроводов не должно превышать 0,3 мг/л.

Некоторые производства предъявляют к воде еще более жесткие требования.

В подземных водах железо чаще всего встречается в растворенном состоянии в виде двууглекислого соединения Fe(HCO₃)₂.

В водах поверхностных источников железо может находится в виде органических соединений (гуминовокислое железо) или в виде сернокислого соединения FeSO₄.

Метод обезжелезивания зависит от формы содержания железа в воде.

Применяют следующие методы обезжелезивания:

- безреагентный, осуществляемый путем аэрации, отстаивания и фильтрования;

- реагентный (коагулирование, хлорирование, известкование);

- метод катионного обмена, применяемый в том случае, когда кроме обезжелезивания, необходимо умягчать воду с помощью катализаторов.

Правильно выбрать метод можно только пробным обезжелезиванием.

Из подземных вод двухвалентное железо выводит при помощи аэрации. Двууглекислое железо – нестойкое соединение, которое в контакте с воздухом легко распадается.

В результате реакции 1 мг гидролизовавшегося железа выделяется 1,57 мг/л свободной углекислоты CO₂, щелочность воды при этом снижается на 0,036 мг•экв/л. Эта реакция интенсивно протекает при аэрации, которая осуществляется путем разбрызгивания воды на контактных или вентиляторных градирнях. Образовавшийся гидрат закиси железа Fe(OH)₂, соединяясь с кислородом, превращается в коллоидную гидроокись железа Fe(OH)₃, которая при коагуляции превращается в окись железа Fe₂O₃•3H₂O, выпадающую в осадок в виде хлопьев.

Процесс обезжелезивания аэрацией зависит от рН воды, он протекает тем быстрее, чем выше рН. Для повышения рН воды необходимо удалять из нее углекислоту СО₂.

Метод обезжелезивания воды аэрацией является наиболее дешевым, так как не требует никаких реагентов.

Установки для обезжелезивания воды

Схема установки для обезжелезивания воды приведена на рисунке 7.8.

1 – контактная градирня;

2 – подающий трубопровод;

3 – распределительная система;

4 – контактный резервуар;

5 – трубопровод отвода воды из градирни;

6 – трубопровод;

7 – осветлительные фильтры;

8 – трубопровод фильтрированной воды;

9 – резервуар чистой воды.

Рисунок 7.8 - Обезжелезивающая установка с контактной градирней

Воду на градирню 1 подают по трубопроводу 2 через распределительную систему 3. В градирне вода обогащается кислородом, и из нее удаляется углекислота. Далее через трубопровод 5 вода сливается в контактный резервуар 4. В резервуаре 4 завершается процесс окисления двухвалентного железа в трехвалентное, его гидролиз и образование хлопьев.

Из контактного резервуара по трубопроводу 6 вода поступает на осветлительные фильтры 7, предназначенные для задержания хлопьев. Вода может поступать самотеком (если позволяет рельеф местности) или подаваться насосами. Фильтры могут быть открытыми или напорными.

Очищенная вода через трубопровод 8 поступает в резервуар чистой воды 9, из которого насосами 2^го подъема подается потребителям.

При расчете таких обезжелезивающих установок определяют площадь и выбирают загрузку контактной градирни, вычисляют емкость контактного резервуара и определяют площадь, количество и загрузку фильтров.

Обезжелезивающие установки с контактной градирней применяются при небольшой производительности водоочистной станции – до 75 м³/ч.

Если производительность водоочистной станции превышает 75 м³/ч, то аэрацию воды осуществляют на вентиляторной градирне.

В практике обезжелезивания подъемных вод широко распространен метод фильтрования с упрощенной аэрацией. При использовании этого метода аэрированная вода, обогащенная кислородом, сразу же подается на фильтр, минуя контактный резервуар. При этом реакция окисления двухвалентного железа происходит непосредственно в толще фильтрующего слоя на поверхности зерен загрузки.

Удаление из воды растворенных газов

Чаще всего в процессе водоподготовки требуется удаление углекислоты, кислорода и сероводорода.

Все три газа относятся к коррозийно-агрессивным газам. Углекислота, кроме того, агрессивна по отношению к бетону.

Свойство этих газов обуславливать и усиливать коррозионные процессы, а также неприятный запах, который сообщает воде сероводород, вызывает необходимость удаления их из воды.

Мероприятия, связанные с удалением из воды растворенных в ней газов, называются дегазацией воды.

Применяются химические и физические методы дегазации воды.

1. Сущность химических методов заключается в использовании определенных реагентов, которые связывают растворенные в воде газы.

Обескислороживание воды достигается введением в нее сульфита натрия (Na₂SO₃), сернистого газа (SO₂) или гидрозина (Na₂H₄).

Последний химический способ обескислороживания воды является самым совершенным, но и наиболее дорогим.

Химическим методам удаления из воды сероводорода является обработка ее хлором:

а) с окислением до серы

б) с окислением до сульфатов

Эти реакции протекают параллельно в определенных соотношениях, зависящих от дозы хлора и рН воды.

Химическим методам газоудаления свойственны следующие недостатки:

- применение реагентов удорожающих процесс обработки воды;

- возможность ухудшения качества воды при нарушении дозировки реагентов.

Поэтому чаще применяются физические методы газоудаления.

2. Физические методы газоудаления осуществляются двумя способами:

а) вода, содержащая удаляемый газ, приводится в соприкосновение с воздухом, если парциальное давление удаляемого газа в воздухе близко к нулю;

б) создаются условия, при которых растворимость газа в воде становится близкой к нулю.

При помощи первого способа, т.е. при помощи аэрации воды, обычно удаляется свободная углекислота и сероводород, поскольку парциальное давление этих газов в атмосферном воздухе близко к нулю.

Второй способ применяют обычно при удалении из воды кислорода, т.к. при значительном парциальном давлении кислорода в атмосферном воздухе аэрацией воды кислород из нее удалить нельзя.

Для удаления кислорода из воды ее доводят до кипения, при котором растворимость всех газов в воде падает до нуля. Вода доводится до кипения либо ее нагреванием (термические деаэраторы), либо понижением давления до такого значения, при котором вода кипит при данной температуре (вакуумные дегазаторы).

Дегазаторы

Удаление из воды растворенных газов в процессе водоподготовки осуществляется на дегазаторах разных типов, которые различаются:

- по их конструктивному исполнению;

- по характеру движения воды и воздуха;

- по обстановке, в которой происходит процесс дегазации.

Дегазаторы можно классифицировать следующим образом:

1. Пленочные дегазаторы. Представляют собой колонны, загруженные той или иной насадкой (кольцами Рашига, деревянной или другой), по которой вода стекает тонкой пленкой. Насадка обеспечивает большую поверхность соприкосновения воды и воздуха, нагнетаемого вентилятором навстречу потоку воды.

2. Барботажные дегазаторы. В дегазаторах этого типа через слой медленно движущейся воды продувается сжатый воздух.

3. Вакуумные дегазаторы. В них при помощи вакуум-насосов или водоструйных эжекторов создается такое давление, при котором вода кипит при данной температуре.

При водообработке в основном применяются пленочные дегазаторы. Для удаления кислорода из воды применяют вакуумные (или термические) дегазаторы. Барботажные дегазаторы применятся редко в виду больших затрат на их эксплуатацию (расход электроэнергии на компрессию воздуха).

Проектирование дегазаторов

При проектировании дегазаторов должны быть определены следующие величины:

- площадь поперечного сечения дегазатора;

- необходимый расход воздуха;

- площадь поверхности насадки, обеспечивающая заданный эффект дегазации.

Площадь поперечного сечения дегазаторов определяется по допустимой плотности орошения насадки, т.е. по расходу воды, приходящемуся на 1 м² площади поперечного сечения дегазатора.

При глубоком удалении из воды углекислоты (до 2…3 мг/л):

- на дегазаторах, загруженных кольцами Рашига (2,5(25(3 мм), допустимая плотность орошения насадки 60 м³/(м²•ч), удельный расход воздуха 15 м³/м³ ;

- на дегазаторах, загруженных деревянной насадкой из досок, допустимая плотность орошения насадки 40 м³/(м²•ч), а удельный расход воздуха 20 м³/м³ ;

- при удалении кислорода из воды в вакуумных дегазаторах допустимая плотность орошения насадки 5 м³/(м²•ч).

Требуемая площадь поверхности насадок, загружаемых в дегазатор, определяется по следующей формуле (м²):

где G – количество удаленного газа, кг/ч;

k – коэффициент десорбции, равный количеству газа, удаляемого в единицу времени через единицу площади поверхности соприкосновения жидкой и газообразной сред при движущей силе процесса десорбции, равной единице, м/ч.

– средняя движущая сила процесса десорбции, кг/м³.

Величину G определяют по соотношению G= q • C_у/1000,

где q – расход обрабатываемой воды, м³/ч.

– расчетное количество углекислоты, которое нужно удалить для поднятия pH воды до 7,5.

Значение k находят по графикам k= f(t_воды), а

C_max , C_опт – максимальная и оптимальная концентрации углекислоты, мг/л.

C_опт – определяется по номограмме.

7.2. Состав сооружений станций ХВО

Состав основных сооружений водоочистных станций выбирается в зависимости от качества исходной воды, а также производительности станций.

Примерный состав сооружений станций ХВО для хозяйственно-питьевых и технологических целей представлен в таблицах:

Таблица 7.1 - Примерный состав сооружений станций осветления и обесцвечивания воды для хозяйственно- питьевых целей

Таблица 7.2 - Примерный состав сооружений станций очистки воды для производственных нужд

В большинстве случаев станции ХВО располагают вблизи источника водоснабжения, следовательно, недалеко от НС I. По принципу перемещения воды в сооружениях станции различают самотечные и напорные системы.

Наибольшее распространение в практике водоочистки имеют схемы очистных сооружений с самотечным движением воды. Вода, поданная насосами I подъема, самотеком проходит все очистные сооружения и поступает в резервуар чистой воды, из которого забирается насосами II подъема.

7.3. Высотные схемы станций ХВО

Состав и технологическую схему работы самотечных систем обычно представляют в виде высотной схемы в профиле основных сооружений водоочистной станции (рисунок ).

Высотную схему начинают составлять с наиболее низко расположенного сооружения – резервуара чистой воды. При определении отметок уровней воды в элементах сооружений водоочистной станции за начальную отметку принимают отметку поверхности земли площадки водоочистной станции z₁.

а – с вертикальными отстойниками и скорыми фильтрами;

б – с осветлителями и фильтрами;

в – с горизонтальными отстойниками и фильтрами.

1 – насосная станция I подъема;

2 – смесители;

3 – реагентное хозяйство;

4 – водоворотная камера хлопьеобразования;

5 – вертикальный отстойник;

6 – скорые фильтры;

7 – хлораторная;

8 – резервуары чистой воды;

9 - насосная станция II подъема;

10 – осветлители;

11 – камера хлопьеобразования;

12 – горизонтальные отстойники

Рисунок 7.9 – Высотные схемы технологических сооружений водоочистных станций

Отметку наивысшего уровня воды в РЧВ z₂ обычно назначают из экономических и санитарных соображений на 0,5м выше отметки z₁. Затем, задаваясь потерями напора, определяют отметки уровней в отдельных сооружениях станции и соединительных коммуникациях между ними. Для ориентировочных расчетов эти потери можно принять следующими:

Таблица 7.3 – Потери напора для различных видов оборудования

Таблица 7.4 – Потери напора для различных видов коммуникаций

Для уменьшения стоимости строительства станции водоочистки ее отдельные сооружения следует приспосабливать к рельефу местности с учетом обеспечения незатопляемости площадки и возможности самотечного отвода сточных вод и осадков из всех сооружений.

Диаметры труб соединительных коммуникаций определяют в зависимости от величины расчетного расхода воды и допускаемых скоростей ее движения (таблица 7.5).

Таблица 7.5 - Значение допускаемых скоростей движения воды в соединительных коммуникациях станций