СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
Водоочистные сооружения представляют собой комплекс расположенных в определенной технологической последовательности отстойников, осветлителей (фильтров) и других устройств (установок) на которых осуществляется улучшение качественных показателей природной воды. Состав и компоновка водоочистных сооружений, а также их конструктивное исполнение могут быть различными.
Обработка хозяйственно-питьевой воды, не содержащей отравляющих и радиоактивных веществ, производится с помощью устройств или сооружений (установок), в которых осуществляются технологические процессы ее осветления и обеззараживания. Комплекс этих процессов и их взаимодействие представляет собой технологическую схему обработки воды. По числу этапов осветления технологические схемы могут быть одноступенчатыми и двухступенчатыми. Сами же сооружения для обработки воды бывают самотечными (открытыми) или напорными.
Самотечные (открытые) технологические схемы (рис. 4) работают при атмосферном давлении. В них вода насосами первого подъема подается в первое по ходу движения воды устройство, а дальше двигается самотеком вследствие разности уровней в них.
В самотечных технологических схемах регулирование и контроль за процессами обработки воды, а также за работой всех элементов легко осуществимы, все сооружения устраиваются из более дешевых строительных материалов. При этом имеет место большой строительный объем, значительная высота сооружений, сложность конструктивного сочетания элементов системы, необходимость наличия насосной станции второго подъема.
Напорные сооружения характеризуются тем, что вода двигается в них под давлением. По числу этапов осветления напорные схемы могут также одноступенчатые и двухступенчатые (рис. 5). В одноступенчатых схемах осветление воды происходит в результате только фильтрации. Из фильтров вода выходит с остаточным давлением и может подаваться в водонапорную башню или резервуары чистой воды.
Рис. 4. Самотечная технологическая схема а – одноступенчатая; б – двухступенчатая
1 – осветлитель; 2 – установка обеззараживания воды; 3 – резервуар чистой воды;
4 – насос (насосная станция) второго подъема; 5 – смеситель; 6 – фильтр
Взаимное расположение сооружений в пределах расчетного напора не имеет значения. Напорные сооружения и установки требуют меньшей площади, высота сооружений в сравнении с самотечными значительно меньше.
Основными недостатками напорных технологических схем являются:
– трудность контроля и регулирования технологических процессов;
– необходимость применения металлических конструкций, рассчитанных на значительное внутреннее давление;
– загрязнение фильтров происходит быстрее вследствие задержки механических примесей только фильтрами, поэтому применение одноступенчатых технологических схем ограничено невысокой мутностью исходной воды.
Напорные технологические схемы применяются в водоочистных установках, системах водоснабжения отдельных объектов, на небольших водопроводах военных городков, аэродромах.
Рис. 5. Напорная технологическая схема
а – одноступенчатая: б – двухступенчатая
1 – резервуар; 2 – насос; 3 – фильтр; 4 – дехлоратор
В напорной двухступенчатой технологической схеме применяются напорные элементы предварительного осветления воды (осветитель) с последующей ее фильтрацией в напорных фильтрах. Этой схеме свойственны достоинства напорной одноступенчатой, однако, она может применяться и при более высокой мутности воды источника.
Работа фильтра протекает при определенном напоре, полная величина которого складывается из напоров, необходимых для преодоления сопротивления в фильтрующем слое, дренажном устройстве и в отводящей фильтрованную воду (фильтрат) системе. Потери напора выражаются в метрах водяного столба и зависят от: скорости фильтрации; размеров зерен и пористости фильтрующей среды; толщины слоя фильтрующей среды; степени загрязнения фильтрующей среды взвесями; температуры воды и других факторов. Во время работы фильтра потери напора возрастают.
Рис. 6. Медленный фильтр 1 – распределительные желоба; 2 – биологическая пленка; 3 – песок; 4 – гравий;
5 – дренаж
Полный напор на фильтре создается разностью уровней воды на фильтре и в резервуаре чистой воды. В зависимости от величины скорости фильтрации фильтры делятся на медленные и скорые. Медленные фильтры (рис. 6) относятся к самотечным и применяются без предварительного коагулирования исходной воды. В качестве фильтрующей среды в таких фильтрах применяется песок в два слоя: верхний высотой 1,2 м с диаметром зерен 0,3…1 мм и нижний высотой 0,5 м с диаметром зерен 1…2 мм. Песок поддерживается гравием или щебнем в 4 слоя с диаметром (сверху вниз) от 2 до 32 мм и общей высотой 0,45 м. Общая высота загрузки составляет 1,7 м. Могут устраиваться фильтры без слоя гравия, который в этом случае заменяется пористым бетоном.
Медленные фильтры в зависимости от мутности воды работают со скоростью фильтрации от 0,1 до 0,2 м/час. При фильтрации воды на поверхности фильтра отлагается слой осадка – фильтрующая пленка с малыми порами, состоящая из частиц взвесей, задерживаемых фильтром, и различных микроорганизмов. Малая скорость фильтрации способствует лучшему задержанию механических взвесей (мутность в фильтрате не превышает 0,1…1 мг/л), а хорошие условия аэрации способствуют физико-химическим и биологическим процессам, вследствие чего достигается высокая степень удаления из воды бактерий (95-99 %), а титр кишечной палочки в фильтрате достигает 100 и более. Весь процесс осветления воды протекает в незначительном верхнем слое песка. Для работы фильтра необходим слой воды над поверхностью песка, равный 1,5 м. Фильтры дают должный эффект только после созревания фильтрующей пленки, которое длится в течение 1-2 суток. Без очистки фильтры работают в течение 1-2 месяцев, после чего 1-2 см верхнего слоя песка заменяется. Фильтры такого типа применяются при мутности исходной воды не более 50 мг/л.
Конструктивно фильтр представляет собой прямоугольный бетонный или кирпичный резервуар. В фильтрах площадью до 10-15 м2 дренаж для отведения фильтрата не устраивается, а вода отводится по лотку в днище. В фильтрах с большей площадью вода отводится через дренажное устройство из дырчатых труб, кирпичей и др. Медленные фильтры не требуют для своего обслуживания повседневно работающего персонала, технология их работы проста, они могут автоматизироваться с помощью простейших регуляторов скорости фильтрации, реагентное хозяйство не требуется.
Скорые самотечные фильтры (рис. 7) работают с предварительным коагулированием и отстаиванием воды и служат для удаления взвесей, не задержанных в отстойниках (осветлителях).
Фильтрующей средой в таком фильтре служит кварцевый песок или дробленый антрацит с диаметром зерен от 0,5…1,2 до 0,9…1,8 мм и с коэффициентом неоднородности от 1,5…1,7 до 2,2. Толщина слоя песка (дробленого антрацита) принимается в зависимости от диаметра его зерен и может составлять от 0,7 до 2 м. Песок покоится на поддерживающем слое гравия или щебня, предназначенном предотвращать вымывание песка при фильтрации, способствовать равномерной фильтрации по всей площади фильтра и равномерному распределению воды при промывке. Поддерживающий слой составляется из нескольких (до 5) слоев. Размеры зерен каждого вышележащего слоя в 1,5-2 раза меньше зерен нижележащего слоя. Общая толщина поддерживающего слоя составляет 0,6-0,7 м.
Рис. 7. Скорый самотечный фильтр
1 – труба для подачи воды из отстойника (осветлителя); 2 – промывные желоба;
3 – трубчатый дренаж; 4 – песок; 5 – гравий;
При фильтрации взвеси частично задерживаются на поверхности фильтра, образуя фильтрующую пленку с малыми размерами пор, а главным образом в его толще. Количество взвесей, задерживаемое порами фильтрующей среды, характеризуют грязеемкость фильтра. В начале фильтрования в течение 5-10 минут фильтрат может еще содержать больше взвесей, чем допускается нормами, поэтому отводится в канализацию. С течением времени толщина и плотность фильтрующей пленки увеличивается, поры фильтрующей среды заполняются, гидравлические сопротивления фильтра (потери напора) увеличиваются. Чем выше скорость фильтрации и мутность поступающей на фильтр воды, тем быстрее он загрязняется. При достижении предельного загрязнения и предельной величины потерь напора фильтр очищается (регенерируется) промывкой его потоком воды снизу вверх. Расчетный напор для работы фильтра принимается равным 3 м.
Период, включающий время на работу фильтра до промывки и на промывку, называется фильтроциклом; в зависимости от режима работы фильтра, качества вода и степени предварительного ее осветления фильтроцикл составляет от 6 до 24 часов и более. Наиболее эффективна работа фильтра при постоянной производительности и скорости фильтрации, что обеспечивается специальными регуляторами. Скорые фильтры работают со скоростью фильтрации 6-10 м/ч; при форсированном режиме она повышается до 7,5-12 м/ч.
Ниже поддерживающего слоя располагается дренажная система, служащая для равномерного отведения воды с фильтра и для равномерного распределения промывной воды по всей площади фильтра при его промывке. Более всего распространен трубчатый дренаж большого сопротивления, представляющий собой систему труб с направленными вниз отверстиями, размеры которых определяются гидравлическими расчетами. Для дренажа применяются металлические или пластмассовые трубы; последние более устойчивы против коррозии. Существуют и другие виды дренажа, в том числе и такие, при которых не требуется поддерживающий слой гравия. На фильтры вода поступает через промывные желоба, обеспечивающие равномерность распределения воды по всей площади фильтра и ее отведения при промывке.
При промывке фильтра промывная вода поступает в дренажную систему, проходит через поддерживающий и фильтрующий слои, переливается через края промывных желобов и отводится в сток. При этом зерна фильтрующего слоя приходят во взвешенное состояние – происходит его расширение. Взвеси, заполнившие поры, и фильтрующая пленка уносятся водой с фильтра. Эффект промывки достигается, если промывная вода проходит через фильтр с определенной интенсивностью, т.е. количеством воды (л/с), приходящемся на 1 м2 площади фильтра. Расчетная интенсивность промывки должна обеспечивать расширение фильтрующего слоя в зависимости от диаметра зерен, равное 25-45 % его толщины. Практическая величина интенсивности промывки лежит в пределах 12-18 л/с на м2, длительность промывки составляет 5-6 минут. В фильтрах с дробленым антрацитом интенсивность и длительность промывки уменьшается примерно в два раза.
Превышение промывных желобов над поверхностью фильтрующего слоя принимается с таким расчетом, чтобы поверхность находящегося в состоянии расширения песка (дробленого антрацита) не достигала их верхних кромок.
Фильтры промываются очищенной водой, она подается в дренажную систему промывными насосами от напорной линии насосов второго подъема или из напорных баков. Потери напора при промывке определяются в дренажной системе гидравлическими расчетами, а в фильтрующем слое – опытным путем или принимаются равными высоте общего слоя песка и гравия.
Скорые самотечные фильтры могут применяться во всех системах водоснабжения военных объектов при любой мутности воды в источнике и на станциях любой производительности.
Двухслойные скорые фильтры конструктивно отличаются от предыдущих фильтров характером и величиной фильтрующего слоя. Фильтр состоит из верхнего слоя дробленого антрацита с размером зерен 1,1 мм и нижнего слоя песка с размерами зерен 0,8 мм; высота каждого слоя 0,4-0,5 м. Общая высота фильтра меньше высоты предыдущего фильтра. Двухслойный фильтр работает со скоростью фильтрации около 10 м/ч, а при форсированном режиме – до 12 м/час. Интенсивность промывки принимается равной 13-15 л/с на м2 при ее длительности 6-7 мин. Достоинством таких фильтров является более высокая их производительность; межпромывочный период более длительный и составляет 24 и даже 48 часов вследствие повышенной грязеемкости слоя антрацита. Общий расход воды на промывку ниже, чем в однослойных фильтрах благодаря более длительному межпромывочному периоду. Недостатком является несколько повышенная стоимость фильтрующего слоя вследствие более высокой стоимости дробленого антрацита.
Контактные осветители (рис. 8) представляют собой фильтры с движением потока воды снизу вверх. Фильтрующей средой в таких фильтрах служит гравий с диаметром зерен (снизу вверх) 32-2 мм, общим слоем около 35 см, поверх которого лежит слой кварцевого песка толщиной 200 см с размером зерен 0,5-2 мм. Слой гравия покоится на распределительной трубчатой системе, по которой поступает осветленная вода; по этой же системе подается вода на промывку фильтра.
Рис. 8. Контактный осветлитель
1 – подводящая (промывная труба); 2 – распределительная система труб; 3 – гравий;
4 – песок; 5 – желоба
Желоба служат для отведения осветленной воды при ее очистке, а также грязной промывной воды при промывках фильтра. Перед поступлением в контактный осветлитель вода насосом первого подъема подается во входную камеру, где происходит выделение из воды воздуха и механических примесей. Из входной камеры вода поступает в осветлитель самотеком. На участке между входной камерой и осветлителем в воду вводится раствор коагулянта. При движении воды через фильтрующий слой происходит коагуляция при контакте коагулянта и других коллоидных растворов воды на поверхности зерен фильтрующей среды (контактная коагуляция). Процесс протекает быстрее, чем в камерах хлопьеобразования. Взвеси отлагаются в порах фильтрующего слоя и на поверхности его зерен, а вода осветляется. Расчетная скорость фильтрации принимается в пределах 5 м/ч, межпромывочный период составляет не менее 8 часов. Промывка длительностью 7-8 минут производится с интенсивностью 13-15 л/с на м2. Для промывки может применяться как очищенная, так и неочищенная вода (во втором случае мутность воды не должна превышать 10 мг/л).
Потери напора при фильтрации и промывке контактных осветлителей определяются так же, как и при промывке фильтров. Контактные осветлители характеризуются небольшой общей высотой, при их применении не требуются отстойники, смесители, камера хлопьеобразования, протяженность подводящих коммуникаций незначительна. Однако применение контактных осветлителей ограничено величиной мутности обрабатываемой воды (не более 150 мг/л). Вследствие небольшой скорости фильтрации площадь контактных осветлителей больше, чем однослойных и двухслойных фильтров при той же производительности. Поэтому выбор типа и конструкции сооружений для обработки воды в каждом конкретном случае обосновывается технико-экономическим сравнением вариантов.
РЕГУЛИРУЮЩИЕ И ЗАПАСНЫЕ ЕМКОСТИ (РЕЗЕРВУАРЫ)
По назначению емкости (резервуары) разделяются на регулирующие и запасные. Регулирующие емкости выполняют роль аккумуляторов (накопителей) воды, обеспечивающих компенсацию несовпадения режимов подачи воды и ее разбора. Включение в систему водоснабжения регулирующих емкостей (резервуаров) повышает ее технико-экономическую эффективность. Так, резервуар между насосными станциями первого и второго подъемов, часто называемый резервуаром чистой воды, позволяет обеспечить равномерные режимы работы этих станций, а также станций обработки воды; резервуар между насосной станцией второго подъема и сетью исключает необходимость подачи насосами пиковых расходов в часы максимального водопотребления, что позволяет использовать насосы меньшей мощности, а также водоводы меньших диаметров.
В запасных емкостях хранятся пожарные и технологические запасы воды, способствующие повышению надежности работы систем водоснабжения. Регулирующие и запасные емкости могут соединяться в одном, общем резервуаре.
По способу раздачи воды потребителю резервуары разделяются на:
– ненапорные, из которых вода забирается насосами;
– напорные, обеспечивающие подачу воды потребителю с заданным напором.
Напорные резервуары в свою очередь разделяются на:
– нагорные резервуары, размещаемые на возвышенной, по отношению к потребителю воды, отметке местности;
– водонапорные башни-резервуары, установленные на поддерживающей конструкции;
– пневматические установки, напор в которых обеспечивается давлением сжатого воздуха.