Технологические сооружения водоочистной станции

По принципу перемещения воды в сооружения водоочистной станции (см. рис. 5.1) различают самотечные и напорные системы. В самотечных системах вода протекает под действием силы тяже­сти. В напорных системах вода течет по водоочистным сооружени­ям закрытого типа под давлением, создаваемым насосами. Для уменьшения строительной стоимости водоочистной станции все ее сооружения необходимо максимально приблизить к рельефу мест­ности с учетом возможности движения воды под действием силы тяжести. В этом случае состав и технологическую схему работы самотечных систем обычно представляют в виде высотной схемы. Высотную схему начинают составлять с наиболее низко располо­женного сооружения - резервуара чистой воды.

5.3. Устройства для приготовления и дозирования реагентов

Для ускорения и повышения эффективности процессов очистки исходной воды в нее добавляют различные реагенты, тип которых изменяется в зависимости от качества воды. При реагентном спосо­бе обработки воды в нее добавляют коагулянты, в качестве которых используют соли ковалентных металлов сильных кислот: сернокис­лый алюминий A1₂(SO₄)₃18H₂O, сернокислое железо Fe₂(SO₄)₃, алю­минат натрия NaAIO₂, хлорид алюминия А1С1₃ и др.

Интенсификация процесса водоочистки при добавлении коагу­лянтов достигается в результате ряда совместно протекающих колло­идно-химических реакций. Процесс коагуляции сложен и направлен на укрупнение частиц взвеси, которая представляет собой тонкодис­персную систему. Добавляя в воду коагулянт, нарушают стабиль­ность коллоидной системы, а гидролиз коагулянта сопровождается образованием труднорастворимых оснований Al(OH)₃ или Fe(OH)₃, обладающих весьма развитой активной поверхностью, на которой ад­сорбируются частицы взвеси и цветности. При этом хлопья взвеси объединяются в крупные агломераты, имеющие большую скорость оседания. Для интенсификации процесса коагуляции применяют вы­сокомолекулярные флокулянты, например, полиакриламид (ПАА), существенно увеличивающий объем осаждаемых частиц. Если в ис­ходной воде не хватает природной щелочности, что затрудняет про­цесс коагуляции, в воду добавляют гашеную известь или соду.

Для приготовления раствора коагулянта применяют специаль­ные установки, в состав которых обычно входят растворные и рас­ходные баки, а также воздуходувки для перемешивания раствора реагента.

Емкость растворных баков (м³) определяют по формуле

где Q_p - расчетный часовой расход ьоды, м³/ ч;

D_K - максимальная доза коагулянта в пересчете на безводный
продукт, г/м³;

b_р - концентрация раствора, %;

γ - плотность раствора г/м³;

t- время, на которое заготавливают раствор, ч.

Доза коагулянта в расчете на A1₂(SO₄)₃ по безводному вещест­ву принимается в зависимости от цветности исходной воды по СНиП 2.04.02-84, а для цветных вод - по формуле

где Ц – цветность обрабатываемой воды, град.

Емкость расходных баков (м³) определяется по формуле

W_p = Wb_p / b (5.3)

где b – требуемая концентрация раствора в расходном баке.

Количество расходных баков должно быть не менее двух. Для растворения и перемешивания коагулянта надлежит предусмотреть подачу сжатого воздуха с интенсивностью 8-10 л/см² - для раство­рения и 3-5 л/см² - для перемешивания.

Смесители

Смесители (рис. 5.2) предназначены для быстрого и равно­мерного смешивания реагентов с основной массой обрабатываемой воды, которое должно быть закончено за 1-2 мин при мокром и не более 3 мин при сухом дозировании реагентов. По принципу дейст­вия смесители подразделяются на два основных типа:

• гидравлические, в которых турбулентный поток создается
сужениями, дырчатыми перегородками и другими устройствами;

• механические, в которых турбулизация потока создается
вращением лопастей или пропеллеров электродвигателем.

Наибольшее распространение получили дырчатые и перего­родчатые смесители, которые выполняются в виде железобетонно­го лотка с тремя вертикальными перегородками, в которых устраи­ваются отверстия для изменения скорости и направления движения воды. Ввод реагентов выполняется в виде перфорированных труб­чатых распределителей.

Ширина лотка В_л (м) зависит от расчетного расхода воды Q_p (м³/ч), глубины воды в лотке Н = 0,4-0,5 м и скорости движения воды в лотке v_л ≈ 0,6 м/с:

В_л = Q_p /Н v_л (5.4)

Рис. 5.2. Смесители:

а - дырчатый; б - перегородчатый; в - вертикальный; 1 - корпус;

2 - подача реагентов; 3 - подача воды; 4 - отвод воды в камеру хлопьеобразования;

5 - сбросной трубопровод; 6 - перегородки; переливная стенка

Расстояние между перегородками принимают равным одинар­ной или двойной ширине смесителя. Диаметр отверстий в дырча­том смесителе d₀ - 20-100 мм. Суммарная площадь отверстий в ка­ждой перегородке не должна превышать 30% ее рабочей площади. Количество отверстий

где v₀ - скорость воды в отверстиях (щелях), v₀ = 1,0-1,2 м/с.

Число смесителей (секций) должно быть не менее двух с воз­можностью отключения. Резервные смесители не устанавливают, но предусматривают обводной трубопровод в обход смесителей с размещением в резервных устройств ввода реагентов.

Камеры хлопьеобразования

Данные камеры применяются при реагентной обработке воды для случая, когда в состав сооружений входят отстойники. Они предназначены для создания оптимальных условий образования достаточно крупных хлопьев коагулянта. Данный процесс хорошо протекает при плавном перемешивании воды. При этом скорость движения воды должна быть достаточной, с одной стороны, для то­го чтобы хлопья не выпадали в осадок, а с другой стороны, не на­столько большой, чтобы они разрушались.

Наибольшее распространение получили перегородчатые, вих­ревые, водоворотные и механические (лопастные) камеры хлопье­образования (рис. 5.3). Перегородчатые камеры хлопьеобразования представляют собой железобетонные прямоугольные в плане ре­зервуары с перегородками.

В камере вода перемешивается благодаря многократному из­менению направления движения в вертикальной или горизонталь­ной плоскостях. Время пребывания воды в камере t равно 20 мин для мутных и 30 мин - для цветных вод. Объем камеры W (м³) оп­ределяют по формуле

а ее площадь в плане F (м²)

где Q - расход обрабатываемой воды, м³ /ч;

Н - высота камеры (в среднем 3-5 м).

Скорость движения воды в ней v = 0,2...0,3 м/с в начальных периодах, а в конце v = 0,05...0,1 м/с за счет увеличения ширины коридоров. Число поворотов п принимается обычно в количестве 8-10.

Рис. 5.3. Камеры хлопьеооразования:

а - перегородчатая е вертикальной циркуляцией; б -то же с горизонтальной

циркуляцией; в - вихревая; 1 - корпус; 2 - перегородки; 3 - подача воды;

4 - отвод воды; 5 - горизонтальный отстойник; 6 - лоток выпуска осадка;

7 - сборная дырчатая труба

Механические (лопастные) камеры хлопьеобразования приме­няются на крупных станциях обработки воды. В этих камерах вода перемешивается при помощи вращающихся вокруг горизонтальной или вертикальной осей лопастных мешалок, приводимых в движе­ние электродвигателем. Расчетную скорость движения воды в ка­мерах принимают 0,2-0,5 м/с, а время пребывания - 20-30 мин. Механические камеры хлопьеобразования выполняются в виде прямоугольного железобетонного резервуара, длину которого оп­ределяют [ю формуле

L = α· п·Н,

где α = 1,0-1,5 - эмпирический коэффициент;

п - количество осей с лопастями;

Н- глубина воды в камере, м.

Объем камеры определяют по формуле (5.6), а ширину по формуле

B = W/L·H (5.6)

Отвод воды из камер хлопьеобразования в отстойники преду­сматривают со скоростью не более 0,1 м/с для мутных и 0,05 м/с -

для цветных вод.

Отстойники

Отстойники (рис. 5.4 и 5.5) предназначены для осаждения взвеси в воде. Обычно применяют отстойники двух типов:

• горизонтальные, применяемые при реагентном методе
обработки воды, если производительность станции превышает
30 000 м³/сут.;

• вертикальные, применяемые при реагентном способе об­
работки воды, если производительность станции не превышает
3 000 м³/сут.

Рис. 5.4. Горизонтальный отстойник:

1 - корпус; 2 - подвод воды от смесителя; 3 - отвод воды из отстойника;

4 и 5 - дырчатые входная и выходная стенки; 6 - зона осветления (осаждения):

7 - зона накопления осадка; 8 - лоток для осадка: 9 - сбросная труба

Рис. 5.5. Вертикальный отстойник:

1- подвод волы от смесителя; 2 - сопла; 3 - водоворотная камера: 4 - отвод воды

из отстойника; 5 - кольцевой желоб; 6 - корпус; 7 - зона осветления (осаждения);

8 - зона накопления осадка; 9 - сбросная труба; 10 - гаситель

В отстойниках всех типов осаждение взвеси происходит под действием силы тяжести. При этом скорость движения потока воды должна составлять от 0,1-0,05 мм/с, тогда он теряет свою транс­портную способность, обусловленную турбулентностью потока. В результате взвеси выпадают в виде осадка. Эффект осветления представляет собой отношение массы выпавшего осадка к массе взвеси, находящейся в воде: р = G/G_o за время t.

Горизонтальный отстойник - это железобетонный прямо­угольный в плане бассейн с прямолинейным движением воды. Он может быть одно- и двухэтажным. Вода, подлежащая осветлению, подводится к одной из торцевых стен отстойника, проходит через дырчатый экран, предназначенный для равномерного распределе­ния по всему живому сечению отстойника, движется вдоль отстой­ника и отводится по трубам в фильтры. Взвешенное вещество вследствие малой скорости движения воды выпадает в осадок. Оса­док удаляется путем сброса воды и смыва накопившегося ила, а также механическим или гидравлическим путем.

Суммарная общая площадь горизонтальных отстойников в плане F (м²) определяется по формуле

где Q_p - расчетный расход воды, м³/ч;

u₀ - скорость выпадения взвеси, мм/с, u₀ = 0,35-0,5 мм/с;

α - коэффициент, учитывающий взвешивающее влияние вер­тикальной составляющей скорости потока:

где v_cp = kи₀ - средняя скорость движения воды в отстойнике;

k - коэффициент, учитывающий отношение длины отстойника к средней глубине зоны осаждения (табл. 5.2).

Таблица 5.2 Значения коэффициентов k и α

		Значения коэффициентов при отношении длины L к глубине Н
	k α	7,5 1,33	1,5	1,67	13,5 1.82

Ширина отстойника В (м). определятся по формуле

где Н = 3,0-3,5 м - средняя глубина зоны осаждения; N- расчетное количество отстойников.

Расчетная длина отстойника L (м) вычисляется как

L = F/B·N (5.13)

Дырчатые перегородки устанавливают на расстоянии 1,5-2 м от торцевых стенок. Диаметр отверстий в них принимают d = 20-150 мм,

а их количество fотв определяют расчетом в зависимости от величи­ны расхода и расчетной скорости в отверстиях 0,3 м/с:

Дно отстойника без механизированного удаления осадка должно иметь продольный уклон не менее 0,02 в направлении, об­ратном движению воды. Каждый отстойник должен быть разделен продольными перегородками на самостоятельно действующие сек­ции шириной не более 6 м. При количестве секций менее шести следует предусмотреть одну резервную. Горизонтальные отстойни­ки следует проектировать с механическим или гидравлическим удалением осадка.

Вертикальные отстойники в виде круглых или квадратных в плане железобетонных резервуаров с цилиндрической трубой и ко­нической или пирамидальной нижней частью, применяются при реагентном методе обработки воды, если производительность во­доочистной станции не превышает 3000 м³/сут. Центральная труба выполнена из металла и служит водоворотной камерой хлопьеобра-зования. В ее верхнюю часть вода поступает от смесителей по тру­бопроводу, снабженному соплами, создающими вращение воды. Из камеры вода через гаситель, выполненный из досок в виде решетки с ячейками 0,5x0,5 м и высотой 0,8 м, поступает и зону осаждения. В этой зоне вода движется снизу вверх со скоростью 0,5-0,6 м/с и попадает в кольцевой периферийный желоб, а взвесь осаждается под действием силы тяжести и попадает в зону накопления, из ко­торой удаляется через сбросную трубу. Чистая вода забирается из кольцевого желоба по трубе.

Площадь живого сечения вертикального отстойника состоит из двух площадей:

площади водоворотной камеры

F_x = Q_p t /60HN (5.15)

площади зоны осаждения

где Q_p - производительность станции, м³/ч;

t - время пребывания воды в камере отстойника (15-20 мин);

Н - высота камеры хлопьеобразования (3,5-4,5 м);

N- количество отстойников;

β - коэффициент объемного использования отстойника (β = 1,3 при D/H= 1 и β= 1,5 при D/H = 1,5);

v_p - расчетная скорость восходящего потока воды (0,1-0,2 мм/с).

Высота зоны осаждения H = 4-5 м. Отношение диаметра от­стойника к высоте зоны осаждения должно находиться в пределах 1-1,5. Осадочная часть вертикального отстойника устраивается с на­клонными стенками (α= 50-55°). Сброс осадка предусматривается без выключения отстойника из работы. Период работы между сбро­сами должен быть не менее 6 часов.

Фильтры

Фильтрование воды является заключительной стадией осветле­ния воды. Одновременно с осветлением, фильтры обеспечивают сня­тие цветности и бактериального загрязнения. В зависимости от ко­личества и качества исходной воды, наличия и требуемой степени осветления, местных, технических и экологических условий приме­няют различные типы фильтров. Наибольшее распространение по­лучили так называемые медленные и скорые фильтры (рис. 5.6 и 5.7). Медленные фильтры впервые были применены в начале XIX в. Принцип их действия заимствован у природы.

Медленные фильтры - это железобетонные или кирпичные резервуары, прямоугольной или круглой формы, заполненные кварцевым песком, уложенным на поддерживающий слой из гравия или щебня с дренажной системой (табл. 5.3). Загрузку медленных фильтров принимают в зависимости от концентрации взвешенных частиц. Общая высота гравийной засыпки 450-500 мм, песчаной -800-850 мм.

Количество фильтров должно быть не менее трех. Ширина фильтра не более 6 м, длина - не более 60 м. Слой воды над по­верхностью загрузки медленных фильтров - 1,5 м.

Рис. 5.6. Медленный фильтр:

1 - корпус; 2 - камера управления; 3 - подвод воды; 4 ~ отвод воды; 5 - сброс

в канализацию; 6 - перелив; 7 - наполнение фильтра чистой водой; 8 - регулятор

скорости фильтрования; 9 -дренажная система; 10 - гравийный поддерживающий

слой; 11 - фильтрующий слой из песка; 12 - биологическая пленка: 13 - слой воды;

14 — водораспределительный лоток; 15 — вентиляция

Медленный фильтр работает следующим образом. Сначала его заполняют чистой водой снизу для удаления воздуха. Затем ис­ходную воду на фильтр подают сверху.

Процесс фильтрования идет сверху вниз со скоростью 0,1-0,2 м/ч. При медленном фильтровании на поверхности песка в фильт­ре образуется биологическая пленка, обеспечивающая высокую сте­пень осветления. Существуют два периода созревания фильтра:

• период осветительного созревания (0,5-1 ч), после которого
мутность фильтра не превышает 1,5-2 мг/л;

• период бактериального созревания (3-36 ч), в зависимости
от мутности исходной воды.

Продолжительность созревания обратно пропорциональна скорости фильтрации. Поэтому в начальный период она должна быть не более 0,05 м/час. В этот период воду отбрасывают в кана­лизацию до тех пор, пока ее качество не будет удовлетворять сани­тарным нормам.

Рис. 5.7. Скорый фильтр: a — продольный и б - поперечный разрезы; в - вид сперху; г - дренажная система

и плане: 1— корпус; 2 — слой воды; 3 — фильтрующий материал; 4 — грапийимй

поддерживающий слой; 5 - дренажная система; 6 - желоб отвода промывной воды;

7 - карман; 8 - подвод воды; 9 - отвод воды; 10 - подача промывной воды;

11 - отвод грязной промывной воды; 12 - канализация, задвижки

Таблица 5.3

Загрузка медленных фильтров

Загрузочный материал	Крупность зерен, мм	Высота слоя, мм
Песок	0,3-1 1-2 2-5
Гравий или щебень	5-10 10-20 20-40

Период полезного фильтрования заканчивается, когда потери напора в фильтрующей пленке достигнут приблизительно 1 м. Это время составляет 10-30 суток до исчерпания грязеемкости пленки. После этого требуется регенерация фильтра, т. е. восстановление его фильтрующей способности. При регенерации фильтра уровень воды снижется ниже уровня песка на 20-30 см, после чего снимают пленку вместе с загрязненным слоем песка толщиной 1-2 см. Все загрязнения удаляют, фильтры снизу заполняют водой и включает­ся новый фильтроцикл: созревания, полезного фильтрования, реге­нерации. С каждым фильтроциклом грязеемкость фильтра умень­шается с 10 000 г/м² до 1000-2000 г/м² через 15-20 циклов. После этого необходима полная очистка всего песка или полная замена загрузки фильтра. Поэтому на водоочистной станции должно быть не менее трех медленных фильтров. Эти фильтры обладают высо­кой степенью очистки воды, отличаются простотой эксплуатации. Недостатками этих фильтров являются большая стоимость, непри­годность для обработки высокоцветных вод, высокая трудоемкость очистки и значительная площадь застройки.

Скорые фильтры применяются как при реагентном, так и при безреагентном способе очистки воды. При безреагентном методе эти фильтры частично осветляют воду перед медленными фильт­рами. В реагентных схемах скорые фильтры используют для полно­го осветления воды, которая поступает из отстойников или освети­телей. Мутность воды, подаваемая на скорые фильтры, должна быть не более 8-12 мг/л, а после фильтров не более 1-1,5 мг/л.

Скорый безнапорный фильтр представляет собой железобе­тонный резервуар площадью не более 100-120 м², загруженный слоями песка и гравия, крупность которых возрастает сверху вниз. Толщину фильтрующего слоя, диаметр частиц, неоднородность фильтрующей загрузки и скорость фильтрования воды принимают по табл. 5.4 в зависимости от типа фильтра, качества воды в источ­нике, технологии ее обработки перед фильтром и других факторов. Взвешенные вещества, поступающие вместе с водой на ско­рый фильтр, являются агрегатно-неустойчивыми и способными прилипать к зернам фильтрующего материала. Эффективность се­парации взвеси определяется тем, насколько сила адгезии (прили­пания) частиц к зернам фильтрующего материала противостоит

гидродинамической силе отрыва, создаваемого потоком воды. С увеличением частиц взвеси при прочих равных условиях вероят­ность задержания их в толще фильтрующего слоя уменьшается. Это связано с тем, что с ростом частиц сила адгезии растет значи­тельно медленнее силы отрыва.

Таблица 5.4

Загрузка скорых филы ров

По мере работы фильтра его поры заполняются задержанной взвесью и возрастает сопротивление движению воды через загрузку. При увеличении потерь напора на фильтре до 2,5-3 м фильтр необхо­димо отключить для регенерации. Восстановление фильтрующей спо­собности скорого фильтра производят путем обратной промывки его загрузки. Для этого прекращают подачу исходной воды и через реге-нерационную систему подают воду с большой скоростью. Фильт­рующую загрузку взрыхляют, а ее частицы отрывают от прилипших к ним загрязнений. Грязная вода переливается в желоба и отводится в канализацию. Промежуток времени между двумя промывками фильт­ра называют фильтроциклом, а количество загрязнений, задержанных фильтром в процессе фильтроцикла, — грязеемкостью фильтра. Обыч­но фильтроцикл скорого фильтра составляет 8-12 часов.

Суммарная площадь скорых фильтров F (m^z) вычисляется по
формуле

где Q_p- производительность станции, м³ /сут;

v - расчетная скорость фильтрования, м/ч;

п - число промывок каждого фильтра в сутки (2-3);

w - интенсивность промывок, м/ч;

t₁ и t₂ - соответственно время промывки и простоя фильтра в связи с промывкой, ч;

Т - продолжительность работы очистной станции в течение суток, ч/сут.

Количество фильтров ориентировочно определяют по формуле

и округляется до ближайших целых чисел. Количество фильтров на станциях производительностью более 1600 м³/сут должно быть не менее четырех.

обтекает источник ультрафиолетового излучения. В качестве источ­ника излучения используют ртутно-кварцевые лампы высокого дав­ления либо аргонортутные лампы низкого давления которые явля­ются более экономичными. Данный метод обеззараживания прост в эксплуатации, не требует химических реагентов, не оказывает влия­ния на вкусовые качества воды. Однако из-за отсутствия простых и надежных способов непрерывного контроля бактериального загряз­нения воды этот способ не нашел широкого распространения.

Наиболее распространенным способом обеззараживания во­
ды является ее хлорирование жидким хлором или хлорной изве­
стью. При введении хлора в воде образуется соляная и хлорнова­
тая кислоты:

Cl₂ + H₂O = HCl + HOCl (5.19)