Мета: Вивчення основних методів очищення моди від механічних забруднень та методики розрахунку параметрів очисних споруд.

Теоретична частина.

Очищення води. Стадія очищення води, на якій вона звільняється від механічних забруднень, включає декантацію води, седиментацію, коагуляцію, флотацію та фільт­рування.

Декантаціяпризначена для видалення великих твердих предметів (колоди, гілки, листя, дрібної риби) є першою стадією очищення води. Великі шматки можуть пош­коджувати насоси, призводити до закупорки труб та каналів. Тому водозабори розта­шовують нижче рівня водної поверхні озера чи річки для того, щоб уникнути захоп­лення плаваючих об'єктів та зменшити до мінімуму фізичні ушкодження від льоду. В озері водозабір розташовують достатньо далеко від берега для зменшення ефекту забруднення береговою рослинністю або забруднюючими відходами, у річках — на захищеній ділянці берега.

Для того, щоб уникнути всмоктування великих об'єктів, на відстані ≥25 см від міс­ця водозабору розташовують сітки зі великими отворами, що складаються із верти­кальних смуг. Вода тоді тече під дією гравітаційних сил через вхідну трубу до помпи низького тиску зі швидкістю, достатньою для того, щоб частинки не затримувались у трубі. Решітка для механічної очистки та сітка (з отворами 6 мм) розміщуються зразу перед насосами низького тиску, які піднімають воду до рівня ґрунту. Такі ж сита з дрібними отворами використовують у дренуючих заборах ґрунтових вод, щоб видалити великі частки ґрунту, що можуть пошкодити насоси та закупорити труби.

Седиментація, найстаріший і найбільш широко використовуваний метод очищен­ня стічних вод, оснований на силі тяжіння. Це відносно простий та недорогий метод і він може бути використаний при наявності резервуарів, що можуть мати форму круга, квадрата або прямокутника. Седиментація може слідувати за коагуляцією І флокуляцією (для каламутної води) або бути пропущеною цілком (у разі води з невеликою каламутністю). Частинки, суспендовані у поверхневих водах, мають діаметр 10^-1-10^{-7 мм (розмір дрібного піску та малих частинок глини відповідно). Каламутять воду частинки більші за 10-4 мм, у той час як частинки менше чим 10-4 мм обумовлюють забарвлення та смак води. Такі дуже дрібні частинки можуть розглядатися (для процесів обробки води) скоріше як розчинені, а не суспендовані.}

Вода, що містить тверді частинки, повільно протікає через седиментаційну ємність (танк), затримуючись там достатньо довго для того, щоб більші частинки осіли на дно до того, як рівень очищеної води у танку знизиться нижче за вихідний отвір. Частинки, що осіли на дно відстійника, видаляються вручну, або механічними шкребками і спрямовуються у колектор, а потім повертаються до джерела забору вод — якщо це дозволено, або зберігаються у накопичувачі для подальшої їх переробки або видалення. Менші частинки видаляють у відстійниках більших розмірів. Видалення дуже дрібних частинок методом простої седиментації було б непрактичним через високу вартість створення відстійника, достатньо великого, щоб забезпечити необхідний час седиментації. Типовий час затримки складає 3 год у танках глибиною 3~5 м. Частинки, які є занадто маленькими, щоб випасти за цей час, мають вже бути видалені фільтрацією або іншими методами.

Коагуляція/флокуляція — це фізико-хімічна процедура, за допомогою якої час­тинки, занадто маленькі для видалення звичайною седиментацією, дестабілізуються та групуються (кластеризуються) для прискореної седиментації. Істотний відсоток звішених у воді частинок є такими малими, що осідання їх на дно танка може тривати доби чи тижні. Наприклад, колоїдні частинки практично не можуть бути видалені методом седиментації.

Коагуляція — хімічний процес, який викорис­товують для дестабілізації колоїдних частинок. Точний механізм цього процесу є занадто склад­ний, але загальна його ідея полягає у додаванні до води, що містить негативно заряджений колоїд, хімічного реагенту, який є позитивно зарядженим колоїдом. Це нейтралізує негатив­ний заряд на колоїдах і в такий спосіб усуває тенденцію колоїдних часток відштовху­ватись одна від одної. Швидкого перемішування протягом кількох секунд достатньо, щоб розрідити коагулянт. М'яке розмішування суспензії, яке називається флокуля­цією, допомагає частинкам легше увійти у контакт. Це досягається за допомогою механічного перемішуванням шляхом повільно обертання лопаток усередині апарата для коагуляції-флокуляції. або гідравлічним перемішуванням, що відбувається, коли потік спрямовується навколо перетинок в апараті. Час затримки у танку для коагу­ляції-флокуляції звичайно становить 20-40 хв для апарату глибиною 3-4 м. Завдяки об'єднаному фізико-хімічному процесу коагуляції-флокуляції колоїдні частинки, які не осіли при проведенні спокійної седиментації, агломерують з утворенням більших частинок, що називають пластівцями. Вони з'являються як пухкі утворення нерегуляр­ної форми, здатні захоплювати малі некоагульовані частинки при осаджуванні на дно. Алюмінію сульфат (галун) — найчастіше використовуваний коагулянт, але органічні полімери також можуть бути використані як самі, так і у комбінації з галуном для поліпшення флокуляції. Суспензію пластівців обережно спрямовують з танка коа­гуляції-флокуляції до відстійника чи прямо до фільтрів, де пластівці відокремлюються. Перетин секції коагуляції-флокуляції та відстійника зображені на рис. 1.2.

Рис.1.2 Поздовжній (а) та поперечний (б) перетин апарату швидкого змішування

Хімія коагуляції є комплексна, але процес може бути охарактеризований спрощеними рівняннями.

Катіони, необхідні для коагуляції негативно заряджених колоїдів можна одержати з солей металів, звичайно з солей алюмінію чи заліза.

Процес коагуляції, з використанням галуну, АІ₂(SО₄)₃х14,ЗН₂О стандартного коагулянта у водоочищенні, протікає як послідовність трьох стадій:

1. Галун іонізується у воді, генеруючи АІ³⁺ та SO₄^2- іони. Деякі з АІ³⁺ іонів нейтралізують негативні заряди на колоїдних частинках.

2. Більшість АІ³⁺ іонів об'єднуються з ОН^- іонами (з води), щоб сформувати колоїдний АІ(ОН)₃, який адсорбує позитивні іони у розчині

A1₂(SO₄)₃ + 6H₂О → 2 Al(OH)₃↓ + 6Н⁺ + SO₄^2- (1)

3. Позитивно заряджений золь АІ(ОН)₃ допомагає нейтралізувати негативні колоїди, а його надлишок, нейтралізований SO₄^-, перетворюється на осад АІ(ОН)₃ та адсор­бований сульфат.

Зверніть увагу на те, що надлишок Н⁺ іонів, утворений на стадії 2, веде до пониження рН, що призупиняє утворення АІ(ОН)₃, оскільки цей процес є рН-залежним. Звичайно, надлишок Н⁺ іонів нейтралізується лужністю (НСО₃)^-, який є присутнім у воді згідно з рівнянням

6Н⁺ + 3SO₄^- + ЗСа(НСО₃)₂ → CaSO₄ + 6CO₂↑ + 6H₂O (2)

Узагальнена реакція, об'єднуючи рівняння (1) та (2); є такою:

A1₂(SO₄)₃х14,3H₂O + ЗСа(НСО₃)₂ → 2АІ(ОН)₃ + 6СО₂ + 14,ЗН₂О (3)

Вона показує, що 600 частин галуну нейтралізує 3 тис. частин лужності (спричиненої СаСО₃).

Повним хімічним ефектом буде зменшення рН води, перетворення деякої частини кальцієвої жорсткості [Са(НСО₃)₂] у сульфатну жорсткість (CaSO₄), та утворення СО₂. Якщо лужність води для цієї реакції є недостатньою, існуючий рН має бути під­вищений додаванням крейди (СаСО₃), кальцинованої соди (Na₂CO₃) або лугу (NaOH). Оптимум рН для коагуляції із галуном лежить близько 6. Коагуляція не вимагає додаткового рН-контролю, тому що введення галуну знижує рН нормально нейтральних поверхневих вод до припустимих величин.

Звичайно неможливо досягти адекватної чистоти води або простою седимента­цією, або комбінацією коагуляції/флокуляції та седиментації. Тому реально в усіх установках з очищення поверхневих вод вище згадані процеси супроводжує фільтра­ція. Це процес, у якому вода проходить через фільтруючий шар, складений з дрібного піску, розташованому на підшарку з гравію. Фільтр обладнують типовою апаратурою підтримки. Передумовою фільтрування є наявність тиску на частки, який є більшим за той, що відкриває пори. Одночасно із фільтруванням відбувається флокуляція, коли принесені частинки вступають у тісніший контакт, а також седиментація частинок у порах фільтруючого завантаження. З часом відкриті пори у фільтрі, особливо у поверхневому шарі, закупорюються і фільтр має бути очищений оберненим промиванням. Використовуються два основні типи фільтрів: гравітаційний пісковий і швидкий пісковий фільтри. Гравітаційні піскові фільтри в XIX ст. почали використовувати в Англії. Вони здатні фільтрувати воду із швидкістю близько 3-4 л/хв-м². Вода з річки або озера помпується через великий повільний пісковий фільтр на відкритому повітрі. Процес у залежності від якості вихідної води супроводжуються повільною седимен­тацією. Товщина прошарку, що фільтрує, становить близько 0.6-1.2 м, а нижче розмі­щено дренажну систему для відведення очищеної води на зберігання. Коли відкриті пори у фільтрі стануть занадто забитими, необхідно зупинити нормальний процес фільтрування і перейти на режим очищення верхнього шару піску вручну. Гравіта­ційні піскові фільтри потребують великих площ ґрунту, вони трудомісткі через часті операції очищення (останні вимагають витрат відповідних об'ємів води). Незважаючи на те, що гравітаційні піскові фільтри застаріли, вони все ще можуть знайти викорис­тання для очищення води у маленьких муніципалітетах, особливо у тих країнах, де погодні умови це дозволяють. Порівняно зі швидкими пісочними фільтрами вони дешевші, ними легше керувати, вони надійніші для дезинфекції води.

Швидкі піскові фільтри спроможні перепускати воду зі швидкістю 80-160 л/хв-м² або вище, що приблизно у 40 разів швидше за повільні піскові фільтри. Завантаження фільтру так само складається з дрібного піску або антрациту та інших матеріалів, які підтримуються гравієм чи іншими матеріалами підстилки. Рис. 2.1(а) показує поперечний перетин секції повільного пісочного фільтру, а рис. 2.1(б) — секції фільтру, де завантаження складається із двох шарів, один з яких — антрацитові крихтини. На рис. 3.1 зображено перетин швидкого піскового фільтру.

Рис.2.1 Будова фільтруючого шару.

Рис.3.1. Поздовжній перетин швидкого піскового фільтру

Останні звичайно розміщуються у приміщенні завдяки порівняно невеликим розмірам і для захисту води від можливого забруднення. Очищена вода з відстійника або апарату флокуляції надходить до фільтраційного відділення та рухається під дією гравітації через фільтруючий танк донизу, прямуючи потім до резервуара обробленої води. Швидкість, з якою вода посувається через завантаження, зменшується паралельно тому, як частинки налипають на зерна завантаження та пори зменшуються.

Зверніть увагу: роботу піскових фільтрів ускладнює засмічення, яке відбувається на верхніх прошарках дрібного піску. Антрацит (вугілля), маючи більший діаметр час­ток і меншу за пісок питому густину, залишається зверху піску і полегшує процес очищення завантаження від знесених частинок при проведенні протиточного промивання.

Для забезпечення постійної величини зниження гідравлічного напору на фільтрі, а, отже, і постійних витрат потоку при фільтруванні, на вихідній трубі обладнаний дро­сель. 2.5-3.0-метрова глибина блоку фільтра обмежує максимальний тиск, який змушує воду фільтруватись через завантаження. Коли зниження гідравлічного напору перевищує допустиму норму, фільтр очищають оберненим промиванням. Вода під тиском прямує через канали і дренажні труби нагору через фільтр. Цей обернений потік збільшує фільтруючий шар на 50% і дозволяє більш легким частинкам бруду бути видаленими зі змивною водою і через жолоба надходити до колектора. Якщо це не можливо або не дозволено, змивні води можуть бути піддані очищенню з видаленням бруду вже у пастоподібному чи сухому вигляді для подальшого депонування (захоронення).

Інтенсивність промивки має контролюватися, щоб гарантувати, що пісок чи антрацит не будуть унесені з промивними водами. Обернене промивання триває близько 10-15 хв і звичайно виконується один раз на добу, або частіше в разі потреби. На обернене промивання витрачається приблизно 4% від загальної кількості очищеної води. Після зупинки операції оберненого промивання завантаження повертається на попереднє місце. Згідно із законом Стокса при осіданні завантаження в першу чергу опускаються найбільші (найбільш щільні) частинки.

Для невеликих муніципальних установок, промислового використання та систем во­доочищення басейнів часто використовують фільтри під тиском. Це циліндричні герме­тичні апарати, що містять завантаження. Вода, яка має бути очищена, частіше під тис­ком, ніж під власною вагою, фільтрується через швидке пісочне, або двошарове завантаження.

Відносна ефективність операцій обробки води приблизно може бути оцінена таким чином. Каламутна вода озера якістю до 100 ОК (одиниць каламутності) перетворюється на воду приблизно 10 ОК шляхом коагуляції/флокуляції та седиментації. Наступне фільтрування зменшує забрудненість менше, ніж до 1 ОК Загальним правилом можна вважати зниження каламутності води кожною з операцій приблизно у 10 разів. До дуже каламутних річкових вод (1 000 ОК) має бути застосована операція попередньої седиментації. З іншого боку, озерна вода, одержана взимку, може мати каламутність нижче 10 ОК, у такому разі процедура коагуляції/флокуляції стає непотрібною.