I этап осветления водопроводной воды

I этап осветления водопроводной воды, прошедшей или не прошедшей коагуляцию, является осаждение взвешенных веществ в отстойниках. Принципом работы отстойника является замедление скорости движения воды при увеличении сечения потока. При этом удаляются грубодисперсные примеси (частицы размером более 100 мкм). Различают горизонтальные и вертикальные отстойники, в зависимости от направления движения воды.

Горизонтальный отстойник – прямоугольный, вытянутый в направлении движения воды резервуар, снабженный приспособлениями для сообщения воде ламинарного течения. Дно имеет наклон в сторону входной части, где находится приямок для сбора осадка. Осветляемая вода поступает через водосливной лоток и далее через дырчатую перегородку с одной из торцовых сторон отстойника, а выходит с другой торцовой стороны через дырчатую перегородку и затем через лоток. Обычно отстойник разбивают на ряд параллельно работающих коридоров шириной не более 6 м.

Вертикальный отстойник (рис.)– резервуар конической или пирамидальной формы.

 

 

Рис.. Вертикальный отстойник (схема). /, 2 —соответственно подача и отвод воды; 3 —сброс осадка; 4 —камера хлопьеобразования; 5 —кольце­вой сборный лоток; 6 —отражательный конус.

 

 

В центре резервуара помещается металлическая труба, в верхнюю часть которой поступает осветляемая вода. При включении в схему обработки воды процесса коагуляции центральная труба служит камерой хлопьеобразования. Пройдя ее сверху вниз, осветляемая вода поступает в зону осаждения, которую проходит по всему ее сечению снизу вверх с небольшой скоростью.

Осветленная вода переливается через борт отстойника в круговой желоб. Осадок, накапливающийся в нижней части отстойника, периодически (1-2 раза в сутки) удаляют без выключения отстойника из работы, открывая задвижку на выпускной трубе. Скорость восходящего потока воды в вертикальном отстойнике определяется по данным лабораторного эксперимента с водой источника или по данным эксплуатации отстойников, работающих в аналогичных условиях; обычно она колеблется в пределах 6,4 – 0,6 мм/с. Преимущества вертикальных отстойников – малая площадь, их рекомендуется применять на водопроводах небольшой производительности (до 3000 м³ / сут).

Интересен тот факт, что процесс осветления коагулированной воды протекает значительно интенсивнее, если осветляемая вода проходит через слой ранее образованного осадка, находящегося во взвешенном состоянии. Контакт воды с осадком способствует получению более крупных и плотных хлопьев, чем в отстойниках, резко улучшает гидравлическую характеристику взвеси. Это свойство взвешенного осадка было использовано отечественными инженерами для разработки принципиально новых очистных сооружений – осветлителей со взвешенным осадком. Ввиду того, что процесс осветления воды в осветителе протекает значительно интенсивнее, чем в отстойнике, время пребывания воды в нем сокращается. Снижается также расход коагулянта. Осветлители в настоящее время успешно вытесняют отстойники, особенно при осветлении мутных вод с концентрацией взвешенных веществ от 500 до 5000 мг/л.

Отстойники с тонкослойными модулями. Тонкослойный модуль представляет собой блок из металла, напоминающий структуру пчелиных сот размером 1х1,5 м. Соты имеют сечение 0,15х0,005 м, длина канала 1,2 – 1,5 м. Тонкослойный модуль помещается в зоне осаждения горизонтального отстойника под углом до 40º к горизонтали. Производительность отстойника с тонкослойным модулем возрастает пропорционально внесенной площади пластин модуля.

При правильно выбранных сооружениях для осаждения взвешенных веществ содержание их в обработанной воде составляет 8-12 мг/л.Отстойники и осветители не дают достаточной гигиенической эффективности, несмотря на высокую техническую эффективность осаждения. Остаточная взвесь представлена в основном тонкодисперсными суспензиями минеральных веществ, бактериями, вирусами.

 

II этап осветления воды

II этап осветления воды – фильтрование через фильтры с зернистой нагрузкой. Фильтры классифицируют по скорости фильтрования – медленные ().1 – 0,3 м/ч) и скорые (5-10 м/ч), по направлению фильтрующего потока – одно- и двухпоточные, по числу фильтрующих слоев – одно- и двухслойные.

Схема устройства скорого фильтра показана на рис.. Коагулированная и прошедшая отстойник или осветлитель вода поступает через боковой карман в резервуар филь­тра. Высота слоя воды над поверхностью загрузки долж­на быть не менее 2 м. В процессе работы фильтра вода проходит фильтрующий и поддерживающий слои "и через

распределительную систему направляется в резервуар чистой воды. По окончании фильтроцикла производится промывка фильтра.

Промывку производят обратным током чистой про­фильтрованной воды путем ее подачи под необходимым напором в распределительную систему. Промывная вода, проходя с большой скоростью (в 7—10 раз большей, чем скорость фильтрования) через фильтрующую загрузку снизу вверх, поднимает и взвешивает ее. Зерна расширив­шейся загрузки хаотично двигаются, ударяются друг о друга, сорбированные на них загрязнения попадают в промывную воду, которая вместе с загрязнениями перели­вается через кромки сборных желобов, расположенных над поверхностью фильтрующей загрузки, и отводится по ним в водосток. Продолжительность промывки скорых фильтров 5—7 мин. Количество промывной воды зависит от типа загрузки и колеблется от 12 до 18 л/(с-м²).

 

 

 

Рис.. Скорые фильтры.

а —двухслойный фильтр; б— двухпоточный фильтр АКХ; в —контактный осветли­тель.

 

 

Фильтр с зернистой загрузкой представляет собой железобетонный резервуар, заполненный фильтрующим материалом в два слоя. Фильтрующий слой выполняют из отсортированного материала, обладающего достаточной механической прочностью (кварцевый песок, антрацитовая крошка, керамзит, шунгизит, дробленый мрамор). Новые фильтрующие материалы проходят санитарную экспертизу, в ходе которой устанавливается их состав, а также скорость и степень вымываемости отдельных элементов, особенно тяжелых металлов, водой.

Поддерживающий слой служит для того, чтобы мелкий фильтрующий материал не уносился вместе с фильтруемой водой через отверстия распределительной системы. Он состоит из слоев гравия или щебня разной крупности, постепенно увеличивающейся сверху вниз от 2 до 40 мм. Распределительная система фильтра состоит из труб с отверстиями разной формы и размера. Ее назначение - сбор и отвод профильтрованной воды без выноса зерен фильтрующего материала, а также равномерное распределение воды по площади фильтра при его промывке.

Два метода фильтрования. Пленочное фильтрование - образование пленки из ранее задержанных примесей воды в верхнем слое фильтрующей загрузки. Вначале вследствие механического осаждения частиц взвеси и их прилипания к поверхности зерен загрузки уменьшается размер пор. Затем на поверхности песка развиваются водоросли, бактерии и пр., дающие начало илистому, состоящему из минеральных и органических веществ осадку (биологическая пленка). Образованию осадка способствуют малая скорость фильтрации, большая мутность воды, значительное содержание фитопланктона. Пленка достигает толщины 0,5-1 мм и больше.

Биологическая пленка в работе сооружений по очистке воды играет роль медленного фильтра. Помимо задержания мельчайшей взвеси, пленка задерживает бактерии (уменьшая их количество на 95-99%), обеспечивает снижение окисляемости (на 20-45%) и цветности (на 20%) воды. Пленочный метод в сравнении с объемным методом фильтрования очищает воду медленно, но качественно. Постепенное утолщение пленки вызывает сопротивление фильтрованию – так называемую потерю напора, что приводит к необходимости периодической чистки медленного фильтра (снятие с его поверхности верхнего слоя песка и пленки). Медленные фильтры, отличающиеся простотой устройства и эксплуатации, были первыми очистными сооружениями городских водопроводов в начале XIX века. Это простые и надежные сооружения, их роль для подготовки питьевой воды возрастает и в настоящее время в связи с развитием централизованного водоснабжения в сельской местности.

Медленные фильтры сооружают с загрузкой фильтрующего слоя из кварцевого песка высотой 800-850 мм и поддерживающего слоя гравия или щебня высотой 400-450 мм. Скорость фильтрации составляет 0,1-0,3 м/ч. Профильтрованная вода собирается дренажной системой, расположенной на дне фильтра. Очистка фильтра производится через 10-30 сут вручную, путем снятия верхнего слоя песка толщиной 15-20 мм и подсыпки свежего. После очистки фильтра фильтрат в течение нескольких дней, до образования биологической пленки, идет на сброс. Объемное фильтрование, осуществляемое на скорых фильтрах, является физико-химическим процессом. При объемном фильтровании механические примеси воды проникают в толщу фильтрующей загрузки и адсорбируются под действием сил молекулярного притяжения на поверхности ее зерен и ранее прилипших частиц. Чем больше скорость фильтрования и чем крупнее зерна загрузки, тем глубже проникают в ее толщу загрязнения и тем равномернее они распределяются.

В результате уменьшения размера пор возрастает сопротивление загрузки при фильтровании, происходит потеря напора. Время от начала работы фильтра до достижения предельной потери напора, при которой фильтр должен быть выключен на промывку, называется временем фильтроцикла, или фильтроциклом. Время, в течение которого фильтр выдает воду надлежащего качества, называется временем защитного действия загрузки. Темп потери напора и качество фильтрата (рис.) непропорциональны. Для санитарной надежности фильтра необходимо так подбирать режим его работы и параметры загрузки, чтобы время фильтроцикла было меньше времени защитного действия загрузки. В практике хозяйственно-питьевого водоснабжения их соотношение должно быть примерно 1:0,8.

Для нормальной работы фильтра важно, чтобы скорость фильтрования была постоянной в течение всего фильтроцикла, т.е. уменьшалась по мере загрязнения фильтра. Этой целью на трубопроводе, отводящем фильтрованную воду, устанавливают автоматически работающие регуляторы скорости фильтрации, благодаря которым через фильтр проходит все время постоянное количество воды.

В скором фильтре (рис.) коагулированная и прошедшая отстойник или осветлитель вода поступает через боковой карман в резервуар фильтра. Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна быть не менее 2м. В процессе работы фильтра вода проходит фильтрующий и поддерживающий слои и через распределительную систему направляется в резервуар чистой воды. По окончании фильтроцикла производится промывка фильтра.

Промывку производят обратным током чистой профильтрованной воды путем ее подачи под необходимым напором в распределительную систему. Промывная вода, проходя с большой скоростью (в 7-10 раз большей, чем скорость фильтрования) через фильтрующую загрузку снизу вверх, поднимает и взвешивает ее, Зерна расширившейся загрузки хаотично двигаются, ударяются друг о друга, сорбированные на них загрязнения попадают в промывную воду, которая вместе с загрязнениями переливается через кромки сборных желобов, расположенных над поверхностью фильтрующей загрузки и отводится по ним в водосток. Продолжительность промывки скорых фильтров 5-7 мин. Количество промывной воды зависит от типа загрузки.

С целью интенсификации процесса фильтрации при конструировании новых фильтров повышают их грязеемкость, под которой понимают массу загрязнений в килограммах, задержанных 1 м² фильтрующей загрузки фильтра в течение фильтроцикла. К числу фильтров с повышенной грязеемкостью относятся фильтры с двухслойной загрузкой, двухпоточные фильтры системы АКХ и двухпоточные фильтры ДДФ.

В фильтрах с двухслойной загрузкой над слоем песка 0,4-0,5 м насыпается также слой дробленого антрацита или керамзита. В таком фильтре верхний слой, состоящий из более крупных зерен, задерживает основную массу загрязнений, а песчаный – их остаток, прошедший через верхний слой. Общая грязеемкость двухслойного фильтра в 2-2 ½ раза больше грязеемкости обычного скорого фильтра. Плотность антрацита (керамзита) меньше плотности песка, поэтому после промывки фильтра послойное расположение загрузки восстанавливается самостоятельно. Скорость фильтрации в двухслойном фильтре 10-12 м/ч, что в 2 раза больше, чем в скором.

Сущность работы двухпоточных фильтров АКХ заключается в том, что основная масса воды (70%) фильтруется снизу вверх, а меньшая часть (30%), как и в обычных фильтрах, сверху вниз. Благодаря этому основная масса загрязнений задерживается в нижней, наиболее крупнозернистой, части фильтра, имеющей большую грязеемкость. Толщина фильтрующего слоя в фильтре АКХ 1,45 – 1.65 м. На глубине 0,5 – 0,6 м от поверхности фильтрующей загрузки устанавливается трубчатый дренаж, через который отводится профильтрованная вода.

При промывке фильтра АКХ сначала в течение 1 мин подают промывную воду в дренажное устройство верхнего слоя песка, затем в течение 5 и более минут через распределительную систему, расположенную на дне фильтра, вода, как и в обычных, собирается в желобе и отводится в водосток, фильтры ДДФ конструктивно отличаются от фильтров наличием двухслойной загрузки (антрацит и песок) в наддренажном слое. В фильтрах АКХ и ДДФ задерживающая способность фильтрующей загрузки используется по всей ее высоте, что позволяет повысить скорость фильтрации до 12-15 м/ч и увеличить производительность фильтра на 1 м² поверхности в 2 раза. В технике очистки воды с целью интенсификации работы очистных сооружений используется процесс коагуляции в зернистой загрузке скорых фильтров. Этот процесс принципиально отличается от коагулирования в свободном объеме. При коагулировании в зернистом слое (контактная коагуляция) коллоидные и суспендированные частицы, проникающие в толщу слоя с потоком фильтрующей жидкости, сближаются с поверхностью зерен загрузки и прилипают к ним, образуя вокруг каждого зерна скопления геля с характерной сетчатой структурой. Таким образом, механизм контактной коагуляции состоит в определении твердой фазы обрабатываемой воды от жидкой под действием сил молекулярного притяжения между мельчайшими частицами взвеси и зернами фильтрующего материала. Однако, если воду просто фильтровать через слой зернистого материала, то контактная коагуляция будет протекать крайне медленно. Значительно ускоряется она при добавлении электролита. Таким электролитом является коагулянт.

Вокруг частиц взвеси находится двойной электрический слой или гидратная оболочка, препятствующая прилипанию к зернам загрузки. При введении коагулянта стабильность частиц взвеси нарушается, и они начинают интенсивно прилипать к зернам загрузки. Контактная коагуляция протекает особенно эффективно при смешении коагулянта с обрабатываемой водой непосредственно перед ее введением в зернистую загрузку. При этом расход коагулянта снижается на 20%. Температура воды не оказывает влияния на контактную коагуляцию, хотя имеет большое значение при коагуляции в свободном объеме. Применение контактной коагуляции целесообразно при низких концентрациях взвеси в воде и отсутствии щелочного резерва. Большое значение для эффективности контактной коагуляции имеет устойчивость слоя загрузки, в котором она происходит.

Сооружения, в которых используется метод контактной коагуляции, называются контактными фильтрами, или контактными осветлителями. Их применение не требует строительства камер хлопьеобразования и отстойников, что позволяет уменьшить объем сооружений в 4-5 раз и сократить капитальные затраты. Контактный фильтр КФ-5 представляет собой скорый фильтр с трехслойной фильтрующей загрузкой. Верхний слой (керамзит, аглопорит, полимерная крошка) имеет зерна диаметром 2,3-3,3 мм, средний (антрацит, керамзит) – 1,25-2,3 мм, нижний (кварцевый песок) – 0,8-1,25 мм. Над поверхностью фильтрующей загрузки укрепляется система перфорированных труб для введения в обрабатываемую воду раствора коагулянта. Скорость фильтрации на фильтре КФ-5 составляет 20 м/ч.

Контактный осветлитель КО-3 конструктивно почти не отличается от обычного скорого фильтра и представляет собой железобетонный резервуар с зернистой фильтрующей загрузкой, крупность которой явно уменьшается снизу вверх. Высота загрузки 2-2,3 м. Раствор коагулянта вводится в воду перед подачей ее на фильтрацию. Вода фильтруется в направлении убывающей крупности зерен, снизу вверх, благодаря чему основная часть загрязнений задерживается в нижних крупнозернистых слоях. Большая высота загрузки увеличивает продолжительность фильтроцикла до 8 ч. Расчетная скорость фильтрования 5-6 м/ч.

Контактные фильтры и осветлители удовлетворительно работают при осветлении воды, содержащей взвешенные вещества (включая образующиеся вследствие коагулирования), в количестве не более 150 мг/л и при цветности воды до 150º. Ввиду того, что в контактных осветлителях в отличие от фильтров осветленная вода находится над фильтрующей загрузкой, зеркало воды должно быть изолировано от помещения управления осветлителями, для этой цели имеется остекленная перегородка на всю высоту помещения.

Состав очистных сооружений водопровода, или его схема, подбирается в зависимости от качества воды источника: уровня показателей мутности и цветности и их соотношения. Можно выделить три основные схемы очистки воды на водопроводе из поверхностного источника. Первая схема применяется для воды с мутностью от 20 до 30 мг/л и цветностью 50º. Она предусматривает отстаивание воды, коагуляцию и фильтрацию на скорых фильтрах. Вторая схема используется при мутности воды до 120 мг/л и цветности до 300º. В ее составе имеются контактный осветлитель (префильтр) и скорый фильтр. Для очистки высокомутных (до 1500 мг/л) вод цветностью до 120º прибегают к третьей схеме, включающей радиальные отстойники, осветлители со взвешенным осадком и скорые фильтры. Кроме перечисленных, существуют и другие схемы. Так, при мутности воды до 50 мг/л и цветности до 50º могут использоваться только медленные фильтры, при мутности до 120 мг/л и цветности до 120º - только контактные осветлители. При любой схеме заключительным этапом обработки воды на водопроводе из поверхностного источника должно быть обеззараживание.

При организации централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения для небольших населенных пунктов и отдельных объектов (дома отдыха, пансионаты, пионерские лагеря) в случае использования в качестве источника водоснабжения поверхностных водоемов и водотоков для очистки воды необходимы сооружения небольшой производительности. Этим требованиям отвечают компактные установки заводского изготовления «Струя» производительностью от 25 до 800 м³/сут.

Установка типа «Струя» (рис.) состоит из трубчатого отстойника, фильтра с зернистой загрузкой, оборудования для приготовления и дозирования реагентов и бака для промывной воды. Напорная конструкция всех элементов установки обеспечивает подачу исходной воды насосами первого подъема через отстойник и фильтр непосредственно в водонапорную башню, а затем потребителю. Основное количество загрязнений оседает в трубчатом отстойнике. Песчаный фильтр обеспечивает окончательное извлечение из воды взвешенных и коллоидных примесей. Хлор может вводиться перед отстойником и в фильтрованную фоду. Промывку установок проводят 1-2- раза в сутки в течение 5-10 минут.

Установка построена по принципу универсальности, что дает возможность

без изменения конструкции вести работу в безреагентном и реагентном (с использованием коагулянтов) режиме. В первом случае производительность установки в 4 раза меньше. Продолжительность обработки воды не превышает 40-60 мин, тогда как на станциях с традиционными сооружениями она обычно составляет от 3 до 6 ч. Установка обеспечивает высокую степень очистки воды. Содержание взвешенных веществ уменьшается на 98-99,3 %, цветность – на 83%; отстаивание и фильтрация снижают содержание бактерий группы кишечной палочки на 99,8-99,9%. Приведенные показатели эффективности работы могут быть достигнуты при централизации эксплуатационной и ремонтной служб в масштабах района или области.

Изменения химического состава природных вод в результате обработки их на водопроводных сооружениях послужили основанием для изучения барьерной роли процессов коагуляции, осаждения и фильтрации относительно веществ, поступающих с промышленными сточными водами. В экспериментальных и натурных условиях была исследована защитная роль процессов коагуляции, осаждения и фильтрации для различных нефтепродуктов, сельскохозяйственных ядохимикатов, продуктов органического синтеза. Результаты исследований позволяют сделать вывод о возможности задержки этих веществ на всех этапах обработки воды. Техническая эффективность задержки в эксперименте колебалась в широких пределах (от 10 до 60-90%) и зависела от исходной концентрации веществ, дозы коагулянта, скорости фильтрации. При снижении исходной концентрации уменьшался процент задержки. При обычных дозах реагентов и скорости фильтрации эффективность задержки была невысокой. Даже при высокой степени задержки, наблюдавшейся в эксперименте, остаточные количества исследуемых веществ превышали ПДК, т.е. гигиеническая эффективность была недостаточной.

Таким образом, гигиеническое значение широко применяемых в практике водоснабжения методов осветления, обесцвечивания воды источника при подготовке питьевой воды состоит в освобождении от природных примесей (механическая взвесь, коллоиды) и частично микрофлоры (90% от исходного содержания). Защитная способность водопроводных сооружений относительно химических технических загрязнений весьма ограничена и не может рассматриваться как основание для снижения требований к условиям спуска сточных вод в водные объекты. Это – фактор, в некоторой мере превышающий надежность мероприятий в области санитарной охраны источников водоснабжения.