Коагулирование и отстаивание воды

Для укрупнения мелкодисперсных и колохидных частиц с целью увеличения скорости их осаждения и способности задерживаться пористыми фильтрующими материалами применяют коагулиро­вание.

Коллоидные частицы, обладая электрическим зарядом, взаимно отталкиваются, что препятствует их укрупнению. Для устранения этого препятствия в обрабатываемую воду, содержащую обычно от­рицательно заряженные коллоидные частицы, вводят коагулянты, образующие положительно заряженные коллоиды. Взаимодействие тех и других коллоидных частиц приводит к нейтрализации их за­рядов и образованию более крупных частиц в виде хлопьев. В ка­честве коагулянтов чаще всего применяют сернокислый алюминий (сернокислый глинозем), сернокислое железо закисное (железный купорос), сернокислое железо окисное, хлорное железо.

В результате гидролиза этих солей образуются гидраты окисей алюминия или железа, представляющие собой обычно положительно заряженные коллоиды. Образующиеся при гидролизе водородные ионы связываются присутствующими в воде бикарбонатными иона­ми. Если содержащихся в воде бикарбонатных ионов недостаточно, то для связывания выделяющихся при коагуляции ионов водорода к воде добавляют известь, соду или едкий натр. Доза коагулянта за-ппсит от мутности и цветности воды и для природных вод обычно со­ставляет примерно 20—50 мг/л.

Реагентное хозяйство. Наибольшее распространение имеет мокрый способ дозирования реагентов. При этом способе комья коа-i улянта загружают в растворный бак 1 с водой (рис. II.47), откуда после растворения коагулянт поступает в расходные баки 2, в ко­торых приготовляется раствор определенной концентрации. Этот раствор направляется в дозировочный бачок 3, а из него подается и обрабатываемую волу. Обычно устанавливают два растворных бака, работающих попеременно.

Для ускорения процесса растворения коагулянта в растворный бак подают сжатый воздух пли пар или же применяют механичес­кие мешалки.

Для ускорения процесса коагуляции в воду вводят флокулян-ты — полиакриламид или активную кремнекислоту.

Смесители. Для равномерного перемешивания коагулянта со всей массой воды служат смесители. Наибольшее распространение по­лучили перегородчатые, дырчатые и вихревые смесители.

Перегородчатый смеситель — это лоток с тремя вертикальными поперечными перегородками, имеющими попере­менно центральные и боковые проходы. Перемешивание коагулянта с водой происходит в результате интенсивных завихрений потока.

В дырчатом смесителе перемешивание осуществля­ется под воздействием завихрений, образующихся при проходе воды через отверстия в поперечных перегородках.

В вертикальном (вихревом) смесителе пе­ремешивание осуществляется вследствие турбулизации вертикаль­ного потока. Смеситель может быть квадратного или круглого се­чения в плане с пирамидальной или конической нижней частью

Рис. II.47. Устройство для при­готовления раствора реагентов

Рис. II.48. Перегородча­тая камера хлопьеобра-зования

Допускается смешивать реагенты с водой в трубопроводах и на­сосах, подающих воду на очистные сооружения.

Камеры хлопьеобразования. В этих камерах происходит обра­зование хлопьев в процессе плавного перемешивания обрабаты­ваемой воды с раствором коагулянта. Вода в камере в течение 10— 40 мин постепенно перемещается от места впуска до выпуска. Ско­рость движения воды в камере должна быть такой, чтобы хлопья в ней не выпадали и не разбивались. Камеры хлопьеобразования бывают перегородчатые, лопастные, вихревые и др.

Перегородчатая камера (рис. II.48) представляет собой железобетонный резервуар, разделенный продольными пере­городками на коридоры. Вода проходит по этим коридорам со ско­ростью 0,2—0,3 м/с. Число рабочих коридоров может меняться в зависимости от мутности воды.

Лопастные камеры хлопьеобразования могут быть с вертикальным и горизонтальным расположением вала мешалок. В одной камере располагаются две или несколько мешалок. Каждая мешалка имеет от двух до шести лопастей. Вода в камерах находит­ся в течение 20—30 мин, двигаясь со скоростью 0,2—0,5 м/с.

Вихревая камера хлопьеобразования представляет собой расширяющийся кверху конический или пирамидальный ре­зервуар, в который вода поступает снизу. В результате движения воды с уменьшающейся скоро­стью боковые слои воды подса­сываются в основной поток, что способствует хорошему ее пере­мешиванию.

Отстойники. Процесс отстаи­вания основан на том, что при малых скоростях движения воды взвешенные в ней частицы под действием силы тяжести осаждаются на дно. Скорость осаждения частиц зависит от их размеров, формы, удельного веса и температуры воды.

Источники водоснабжения характеризуются различным содер­жанием в воде взвешенных частиц, т. е. имеют разную мутность. В спязи с этим продолжительность отстаивания воды будет различ­ной.

Осветляемая вода может двигаться в отстойнике в горизонталь­ном, вертикальном или радиальном направлении. В зависимости от направления потока различают отстойники горизонтальные, вер­тикальные и радиальные.

Горизонтальные отстойники применяют на очистных станциях производительностью более 30 000 м³/сут.

Рис. 11.49. Горизонтальный отстойник

В горизонтальном отстойнике (рис. 11.49), представляющем со­бой прямоугольный резервуар, вода поступает с торца и движется вдоль длинной стороны резервуара.

Относительно равномерное движение воды по всему поперечно­му сечению отстойника достигается устройством дырчатых перего­родок, водосливов, распределительных и сборных желобов.

Для равномерного отвода воды из отстойника на расстоянии 1—■ 2 м перед задней торцовой стенкой устанавливают дырчатую пере­городку. Нижнюю часть перегородки на 0,3—0,5 м выше зоны на­копления и уплотнения осадка делают сплошной (без отверстий).

Глубина зоны осаждения принимается равной 2,5—3,5 м, а ши­рина секции отстойника — не более 6 м.

Днище горизонтальных отстойников имеет уклон к приямку для осадка, расположенному в начале отстойника. Осадок, накапливающийся в отстойнике, периодически удаляют механизированным или гидравлическим способом.

При горизонтальных отстойниках следует предусматривать ка­меры хлопьеобразования перегородчатого или вертикального типа со слоем взвешенного осадка или без него.

В последние годы находят распространение горизонтальные от­стойники с рассредоточенным по площади сбором воды через затоп­ленные отверстия.

Вертикальные отстойники, устраиваемые на малых очистных станциях производительностью до 3000 м³/сут, представляют собой круглый или квадратный в плане резервуар с коническим или пирамидальным днищем с углом наклона стенок 50—70°. Вода поступает по трубопроводу в центральную трубу, опускается в нижнюю часть отстойника, затем поднимается в его рабочей части и переливается через водослив в круговой лоток. Иногда вместо центральной трубы устраивают камеру хлопьеобра­зования водоворотного типа (рис. 11.50). В эту камеру вода посту­пает через сопла, из которых она выходит по касательной, создавая вращательное движение в камере. В нижней части камеры устанав­ливают решетки из щитов для гашения вращательного движения воды.

Рис. II.50. Вертикальный от­стойник

Осветление происходит при условии, что скорость восходящего потока воды меньше скорости осаждения взвешенных частиц. Тогда эти частицы выпадают на дно. Осадок периодически удаляется са­мотеком по иловой трубе без прекращения работы отстойника.

Скорость восходящего потока воды v принимают в пределах 0,5— 0,75 мм/с. Диаметр отстойника не должен превышать 10 м, а отно­шение диаметра вертикального остойника к высоте зоны осаждения должно быть не больше 1,5. Если диаметр отстойника превышает 4 м, то кроме кругового лотка устраивают радиальные желоба.

Число отстойников на очистной станции должно быть не менее Двух.

Площадь поперечного сечения вертикального отстойника сла­гается из площади зоны осаждения и площади камеры хлопьеоб­разования.

Площадь камеры хлопьеобразования определяется из расчета пребывания воды в ней в течение 15—20 мин. Высота камеры назна­чается в пределах 3,5—4,5 м.

Радиальные отстойники применяют преимуще­ственно в промышленных системах водоснабжения на очистных станциях большой производительности при высоком содержании в воде взвешенных частиц. В этих отстойниках вода подается в центр, а затем движется в радиальном направлении и сливает­ся в периферийный сборный желоб, из которого отводится по трубе. Как и в отстойниках других типов осветление здесь происходит вследствие создания малых скоростей движения, при которых взвешенные частицы выпадают на дно.

Радиальные отстойники имеют диаметр 20—60 м, глубину 3— 5 м в центре и 1,5—3 м на периферии.

Преимущество этих отстойников состоит в том, что их конструк­ция позволяет осуществлять постоянное удаление осадка механи­зированным способом без прекращения работы отстойников.

Осветлители. Условия осветления воды значительно улуч­шаются при пропуске ее через слой взвешенного осадка. Частицы взвешенного осадка способствуют большему укрупнению хлопьев коагулянта. Крупные хлопья могут задержать больше взвешенных частиц, содержащихся в осветляемой воде.

На этом приципе работают сооружения, называемые осветлите­лями со взвешенным осадком.

Осветлители при равных объемах имеют более высокую произ­водительность, чем отстойники, и требуют меньшего расхода коа­гулянта.

Для удаления воздуха, пузырьки которого могут взмучивать взвешенный оса­док в осветлителе, воду пред­варительно направляют в воздухоотделитель.

Рис. II.51. Осветлитель коридорного типа

Осветлитель коридорного типа (рис. II.51) представ­ляет собой прямоугольный резервуар. Коагулированная вода поступает в осветлитель по трубе 9 и через дырчатые трубы / распределяется в нижней (рабочей) части 2 осветлителя. Скорость движения воды в рабочей части должна быть такой, чтобы хлопья коагулянта на­ходились во взвешенном состоянии. Этот взвешенный слой способ­ствует задержанию взвешенных частиц. Степень осветления воды при этом значительно больше, чем в обычном отстойнике. Выше ра­бочей части находится защитная зона 3, где взвешенного слоя нет. Осветленная вода отводится по лоткам 4 и трубе 10 для последую­щей обработки. Избыточное количество осадка подсасывается тру­бой 5 через окна 6 в осадкоуплотнитель 7, откуда уплотненный оса­док периодически или непрерывно сбрасывается в канализацию по трубам 8.

Скорость восходящего потока в рабочей части осветлителя при­нимают в пределах 1 —1,2 мм/с.

Высота слоя взвешенного осадка составляет 2—2,5 м, а высота зоны осветления 1,5—2 м. Время уплотнения осадка в осадкоуплотнителе от 3 до 12 ч.

ФИЛЬТРОВАНИЕ ВОДЫ

Обычно после осветления воды в отстойниках или осветлителях ее фильтруют. Для фильтрования воду пропускают через слой мел­козернистого фильтрующего материала, задерживающего содер­жащиеся в ней частицы мелкой взвеси. В качестве фильтрующего материала применяют кварцевый песок, гравий, дробленый антра­цит и другие материалы.

Различают скорые, сверхскоростные и медленные фильтры. Ско­рые фильтры применяют при коагулировании воды, медленные — при обработке воды без коагулирования, сверхскоростные могут работать с коагулированием воды и без него.

Фильтры бывают о т к р ы т ы е (безнапорные) и напорные (закрытые). Скорые фильтры чаще всего бывают открытые, сверх­скоростные всегда напорные, медленные всегда открытые. Движе­ние воды через безнапорные, или самотечные фильтры, заполненные до определенной отметки фильтрующей загрузкой, происходит под напором, создаваемым разностью отметок уровней воды в фильтре и на выходе из него. Движение воды через слой фильтрующей за­грузки напорных фильтров происходит под напором, создаваемым насосами.

Скорые фильтры. Скорый фильтр представляет собой загружен­ный фильтрующим материалом резервуар, снабженный устройст­вами для подачи воды, сбора профильтрованной воды и промывки загрузки.

Необходимость в промывке загрузки объясняется тем, что в про­цессе работы фильтр постепенно засоряется и его гидравлическое сопротивление увеличивается. Промывку производят чистой водой в направлении снизу вверх. Частота промывки фильтра зависит от качества сырой воды и обычно не превышает 1—2 раз в сутки.

По конструкции различают открытые скорые фильтры однопоточные сдвижением воды только сверху вниз и двухпоточные — С одновременным движением воды сверху вниз и снизу вверх. Однопоточные фильтры могут иметь загрузку из однородного фильтру­ющего материала или из различных материалов — двух- или мно­гослойные фильтры.

Выбор той или иной системы фильтров определяется технологи­ческими и технико-экономическими показателями.

Рис. II.52. Однопоточный открытый скорый фильтр

В однопоточных открытых скорых фильтрах (рис. II.52) коагулированная и осветленная вода подается по трубопроводу 3 в кар­ман 2. Проходя фильтрующую загрузку 10 и поддерживающий гра-виЙНЫЙ слой 9, вода через дырчатое днище 5 поступает в дренаж #, откуда по трубопроводу 6 направляется в резервуар чистой во­ды. Труба 7 служит для опорожнения фильтра на время его ремонта. 11ромывная вода при промывке подается по трубопроводу 6, про­ходит поддерживающий гравийный слой 9 и фильтрующую за­грузку 10 и сбрасывается в промывные желоба /. Затем загрязнен­ная промывная вода по трубопроводу 4 направляется в водосток.

Толщина фильтрующей загрузки зависит от крупности слагаю­щих ее зерен песка и принимается в пределах 0,7—2 м. При этом расчетные скорости фильтрования при нормальном режиме состав­ляют 5,5—10 м/ч.

В последние годы стали применять двухслойные фильтры, за­гружаемые сверху на высоту 400—500 мм дробленым антрацитом, а ниже на высоту 600—700 мм кварцевым песком. Такие фильтры обладают большей грязеемкостью, чем фильтры, загруженные толь­ко песком. Производительность двухслойного фильтра почти в 2 раза больше производительности однослойного.

11оддерживающий гравийный слой устраивают высотой 650мм из чагпщ крупностью от 2 до 40 мм. Крупность загрузки увеличивается сверху вниз. Гравийный слой служит для предотвращения вымывания фильтрующего материала.

Назначение дренажа — равномерное отведение профильтрован­ной воды. Различают дренажи большого и малого сопротивления. Последние в настоящее время почти не применяются. Дренажи боль­шого сопротивления бывают трубчатые и колпачковые. В последнее время широкое распространение получили также щелевые дренажи.

Они позволяют отказаться от гравийного поддерживающего слоя и тем самым уменьшить высоту фильтра.

Промывку фильтров прово­дят со скоростью, в 7—10 раз большей скорости фильтрова­ния. Продолжительность про­мывки 5—8 мин.

Рис. II.53. Двухпоточный открытый скорый фильтр

В двухпоточных открытых скорых фильтрах (рис, II.53) основная масса воды проходит через фильтрующий материал снизу вверх, а часть воды, поступающей по трубе 3, карману 2 и же­лобу 1, фильтруется сверху вниз. Профильтровавшаяся вода отво­дится трубчатым дренажем 5, устраиваемым из щелевых асбесто-цементных или винипластовых труб.

Дренажная система располагается в толще фильтрующего слоя на расстоянии 500—600 мм от поверхности загрузки.

Промывная вода подается в дренаж 5для взрыхления верхнего слоя песка. Интенсивность подачи воды 6—8 л/ (с • м²). Затем про­мывная вода подается в распределительную систему 6 для промыв­ки всего слоя загрузки. Интенсивность подачи воды 10—15 л/ (с-м²). Загрязненная вода через желоб 1, карман 2 и трубу 4 сбрасывается в водосток.

Скорость фильтрования в двухпоточных фильтрах 12 м/ч.

Крупнозернистые скорые фильтры применяют для частичного осветления воды, используемой для технических целей на промыш­ленных предприятиях. Эти фильтры бывают напорные и открытые. Для загрузки фильтров чаще всего применяю! кварцевый песок крупностью 1—2,5 мм. Высота слоя загрузки 1,5—3 м. Скорость фильтрования 10—15 м/ч. Промывку крупнозернистых фильтров производят водой и воздухом в такой последовательности: 1) взрых­ление фильтрующей загрузки водой; 2) водовоздушная промывка; 3) отмывка водой. Интенсивность промывки водой 6—8 л/ (с • м²), воздухом — 15—25 л/ (с* м²).

Сверхскоростные фильтры по конструкции бывают вертикальные и горизонтальные. Поддерживающий гравийный слой в этих фильтрах не устраивают. В нижней части фильтра располагают трубы для промывки и продувки его воздухом. Наибольшее распростране­ние получили вертикальные фильтры. Скорости фильтрования в таких фильтрах 25—100 м/ч. Применяют их для частичного освет­ления воды. Работа фильтров, регулирование скорости фильтрова­ния и промывка фильтров автоматизированы. Для очистных стан­ций большой производительности применяют горизонтальные фильт­ры, имеющие большую площадь фильтрования по сравнению с вер­тикальными. Потери напора в фильтрах достигают 10 м.

Медленные фильтры. Медленные фильтры применяют на очист­ных станциях малой производительности. По способу регенерации загрузки эти фильтры бывают двух типов; 1) с удалением загряз­ненного слоя, 2) с отмывкой загрязненного слоя непосредственно в фильтре путем механического рыхления слоя и гидравлического удаления загрязнений. Высоту слоя загрузки песка крупностью 0,3—2 мм принимают равной 850 мм и гравия крупностью 2— 40 мм — равной 450 мм. При регенерации с отмывкой загрузки не­посредственно в фильтре ширина секции фильтров должна быть не более 6 м, длина — не более 60 м. Слой воды над поверхностью за­грузки рарен 1,5 м. Скорость фильтрования для медленных филь­тров составляет 0,1—0,2 м/ч.

Контактные осветлители представляют собой сооружения ком­бинированного типа. В них совмещаются процессы хлопьеобразо-вания, отстаивания и фильтрования. Это позволяет значительно уменьшить объем сооружений. Принцип работы контактного освет­лителя состоит в том, что при фильтровании воды через слой зер­нистой загрузки на поверхности слагающих ее зерен сорбируются взвешенные и коллоидные частицы.

Движение воды в контактных осветлителях происходит снизу вверх. Скорость фильтрования 4—5 м/ч. Для загрузки осветлите­лей применяют гравий и кварцевый песок. Гравийный поддержи­вающий слой имеет крупность зерен 2—32 мм и высоту 350—500 мм. Высота фильтрующего слоя песка 2000—2300 мм при эквивалентном диаметре зерен 0,7—2 мм.

Загрузку промывают восходящим потоком воды и воздуха. Для равномерного распределения воды и воздуха применяют трубча­тую распределительную систему большого сопротивления с под­держивающим гравийным слоем или без него. Режим водовоздуш-ной промывки назначают следующий: 1) продувка 1 —1,5 мин; 2) совместная промывка водой и воздухом в течение 6—7 мин с интен­сивностью подачи воды 2—3 л/ (с • м²); 3) последующая промывка водой с интенсивностью 6—7 л/ (с • м²) в течение 4—6 мин.

Контактные осветлители могут работать с постоянной скоростью фильтрования в период рабочего цикла и с переменной скоростью, убывающей к концу Цикла.

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ

Вода поверхностных источников, как правило, содержит болез­нетворные бактерии. В результате отстаивания и фильтрования из воды удаляется до 95% бактерий. Для уничтожения оставшихся бактерий воду обеззараживают. С этой целью используют жидкий хлор, гипохлорит натрия, растворы гипохлоритов, полученные электролитическим путем, озон, двуокись хлора и бактерицидное облучение. Воду в хозяйственно-питьевых водопроводах, питаю­щихся из подземных источников, обеззараживают в случае воз­можного попадания в эти источники болезнетворных бактерий.

Хлорирование. Наиболее распространенным методом обеззара­живания является хлорирование. Для хлорирования используют хлорную известь или газообразный хлор.

Хлорную известь применяют при малых расходах воды. При введении в воду хлорная известь распадается на гипохлорит каль­ция и хлористый кальций. Гипохлорит кальция реагирует с угле­кислотой или бикарбонатами кальция, находящимися в воде, об­разуя хлорноватистую кислоту, которая легко распадается с об­разованием атомарного кислорода, оказывающего бактерицидное действие. При введении в воду газообразного хлора образуются хлорноватистая и соляная кислоты. Хлорноватистая кислота рас­падается с выделением атомарного кислорода. Необходимый эффект хлорирования достигается в результате хорошего перемешивания и 30-минутного контакта хлора с водой. Такой контакт происходит в контактном резервуаре или в трубопроводе, подающем воду потре­бителям.

Вода, поступающая к потребителям, должна содержать в I л 0,3—0,5 мг хлора (так называемый остаточный хлор), что свиде­тельствует о достаточности введенной дозы хлора для полного обез­зараживания воды. На 1 л фильтрованной воды вводят 2—3 мг хло­ра, а на 1 л нефильтрованной речной воды — до 6 мг хлора.

Обычно применяют двойное хлорирование, добавляя хлор перед отстаиванием и после фильтрования.

Для дозирования хлора служат хлораторы. По принципу рабо­ты их делят на вакуумные и напорные. Напорные хлораторы имеют тот недостаток, что в них газообразный хлор находится под дав­лением выше атмосферного и поэтому возможны утечки газа, кото­рый очень ядовит. Вакуумные хлораторы не имеют этого недостатка.

Хлор доставляют на станцию в сжиженном виде в баллонах. Из этих баллонов хлор переливают в промежуточный баллон, где он переходит в газообразное состояние. Газ поступает в хлоратор. Здесь он растворяется в водопроводной воде, образуя хлорную во­ду, которая вводится в трубопровод, транспортирующий воду, предназначенную для хлорирования.

При повышении дозы хлора в воде остается неприятный запах. Такую воду необходимо дехлорировать. Для предотвращения об­разования хлорфенольного запаха на станциях в воду подают газо­образный аммиак.

Для приготовления гипохлорита натрия электролитическим спо­собом непосредственно на очистных сооружениях служат электро­лизеры с графитовыми пластинчатыми или засыпными магнетито-выми электродами. Электролизеры должны располагаться в изо­лированном помещении.

Озонирование. Сущность процесса обеззараживания воды озоном заключается в окислении бактерий атомарным кислородом, обра­зующимся при распаде озона. Озон одновременно уменьшает цвет­ность, запахи и привкусы воды.

Для обеззараживания 1 л воды подземных источников требуется 0,75—-1 мг озона, а" 1 л фильтрованной воды поверхностных источ­ников 1—3 мг озона

Озон в виде озоно-воздушной смеси получают в электрических озонаторах из кислорода воздуха. В состав озонаторной установки входят сооружения для синтеза озона и для смешения озона с во­дой. Подготовка воздуха для синтеза состоит в задержании взве­шенных частиц на фильтре, осушке воздуха в адсорберах с силика-гелем или алюмогелем. Подготовленный воздух направляется в озонаторы.

Перемешивание полученной озоно-воздушной смеси с водой производится барботированием в колоннах, резервуарах- Приме­няют для этого также эжекторы-смесители и механические ме­шалки.

Бактерицидное облучение. Этот метод обеззараживания воды осуществляется с использованием ультрафиолетовых лучей, обла­дающих бактерицидными свойствами. Применяют его для обезза­раживания небольших расходов воды подземных источников, а так­же фильтрованной воды поверхностных источников. В качестве ис­точников излучения служат ртутно-кварцевые лампы высокого или низкого давления.

Эффект обеззараживания зависит от продолжительности и ин­тенсивности излучения. Различают напорные бактерицидные уста­новки, располагаемые на напорных или всасывающих трубопрово­дах, и безнапорные, устанавливаемые на горизонтальных трубопро­водах или в специальных каналах.

Обеззараживание ультрафиолетовыми лучами не применяется для вод высокой мутности.