Качество воды

Эффект обработки воды в случае необходимости может быть повышен применением микрофильтров (при наличии в воде планктона) и введением флокулянтов.

Схема 4. Двухступенчатая обработка воды на вертикальных отстойниках и скорых фильтрах. Прочие устройства те же, что и в схеме 2. Область применения ограничена производительностью до 3000 м3 / сутки, но может быть расширена до 30 000 м3 / сутки, когда применение осветлителей со взвешенным не может обеспечить стабильного эффекта осветления. Содержание взвешенных веществ и цветность не ограничиваются

Типы сооружений, включаемых в выбранную технологическую схему очистной станции, определяются особенностями их устройства и эксплуатации, условиями компактной и рациональной компоновки, возможностями размещения этих сооружений в соответствии с принятой общей высотной схемой станции и другими факторами, связанными со строительством и эксплуатацией. Эти вопросы рассматриваются в последующих главах.

Г Л А В А 3

Методы и сооружения осветления и обесцвечивания поверхностных вод.


3.1 Осветление и обесцвечивание воды коагулированием. Классификация взвешенных веществ. Устройства и расчет осветлителей.


Обработка воды коагулянтами применяется для очистки воды от взвешенных веществ, снижения цветности, а также для интенсификации осаждения карбоната кальция и гидроокиси магния при реагентом умягчении воды.

Наиболее часто обработка коагулянтами производится для очистки воды открытых водоемов. При этом наряду с освобождением воды от взвеси достигается удаление из воды коллоидных веществ, обусловливающих цветность воды, планктонных организмов, существенно снижается бактериальная загрязненность воды.

Нередко при обработке коагулянтом уменьшаются также запахи и привкусы воды.

В водах открытых водоемов взвешенные вещества чаще всего представляют собой частицы песка, глины, ила, планктонные организмы, продукты разрушения растений и т. п.

Взвешенные частицы, удельный вес которых больше единицы, стремятся осаждаться на дно сосуда. Однако наиболее мелкие частицы суспензий размерами от 3 – 4 до 0,1 мк и коллоидные частицы размерами от 0,1 до 0,001 мк практически не осаждаются, оставаясь в воде во взвешенном состоянии.

С приемлемой для техники отстаивания скоростью осаждаются только частицы крупнее 30 – 50 мк т.е не мельче илистых частиц. Мелкий ил, глинистые и коллоидные частицы без специальных мер выделить отстаиванием невозможно. Для их осаждения и применяют добавление к воде коагулянтов – веществ, образующих относительно крупные, быстро осаждающиеся хлопья, которые увлекают с собой при осуждении мелкодисперсную взвесь, загрязняющую воду.

Скорости осаждения в воде частиц кварца крупности например 10 мк, с удельным весом γ = 2,65 при температуре 15С, равна 0,1 мм/сек.

В таблице 3.1 приведена относительная коагулирующая способность катионов и анионов различной валентности. Следует иметь ввиду, что для положительно заряженных коллоидных частиц коагулирующими ионами являются анионы, а для отрицательно заряженных коллоидов – катионы.


Таблица 3.1

Относительная коагулирующая способность электролитов (коагулянтов ).

Электролит (коагулянт ) Относительная коагулирующая способность для коллоидов, заряженных.

положительно отрицательно
NаСl 1 1

ВаСl2

1 30

Nа2SO4

 30 1

Nа3РО4

 1000 1

МgSO4

 30 30

АlCl3

 1 1000

Аl2(SO4 )3

 30 1000

FeСl3

 1 1000

Fe2(SO4)3

 30 1000




В таблице 3.2 приведена примерная классификация взвешенных веществ по гидравлической крупности.

Гидравлическая крупность взвешенных веществ природных вод.

Таблица 3.2

Взвесь гидравлическая крупность в мм / сек приблизительный размер частиц взвеси в мм
песок:

крупный 100 1
средний 50 0,5
мелкий 7 0,1
Ил 1,7 – 0,5 0,05 – 0,027
мелкий ил 0,07 – 0,017 0,01 – 0,005
Глина 0,005 0,0027
тонкая глина 0,0007 – 0,00017 0,001 – 0,0005
коллоидные частицы 0,000007 0,0001 – 0,000001

Предельно допустимое содержание взвешенных веществ в воде, подаваемой хозяйственно – питьевыми водопроводами, нормировано ГОСТом. Согласно этому ГОСТу содержание взвешенных веществ в питьевой воде должно быть не более 2 мг / л.

В последнее время в санитарно – технической литературе наблюдается тенденция к снижению предельно допустимой концентрации взвешенных веществ, так как считается, что это повышает санитарную безопасность воды в отношении вирусных инфекций.

Ряд производств химической, нефтяной, текстильной, бумажной, радиотехнической и других видов промышленности предъявляет к воде такие же или даже более высокие требования, чем при водоснабжении населенных мест. Эти требования обычно определяются специалистами – технологами различных производств.

В практике очистке воды в качестве коагулянтов применяются преимущественно соли алюминия и железа: сернокислый алюминий Аl2(SO4)3, хлорное железо FеCl3, железный купорос FеSO4, сернокислое трехвалентное железо Fе2(SO4)3.

Значение этих коагулянтов заключается в том, что они способны образовывать гидрофобные коллоидные системы, которые при коагуляции дают хлопья, сорбируют и захватывающие при осаждении частицы природных загрязнений воды.

При введении в воду сернокислого алюминия происходит его диссоциация.

Аl2(SO4)3--- 2Аl3+ +3SO42-

далее Al3 + + 3Н2О ----- Аl(ОН)3 + 3Н+

Хлопья Аl(ОН)3, осаждаясь захватывают частицы загрязнений, находящихся в воде. Процесс образования Аl(ОН)3 зависит от рН среды.

Примерные значения величин рН, при которых протекает процесс коагуляции после введения в воду сернокислого алюминия, приведены в таблице 3.3


Оптимальные значения рН при обработке вод различного состава сернокислым алюминием.

Таблица 3.3

Характеристика воды Оптимальные значения рН

осветление и обесцвечивание мягких цветных вод со щелочностью до 1,5 мг – экв/л и цветностью более 50 град.

5 – 6

осветление и обесцвечивание вод средней жесткости ( 4- 5 мг-экв/л ) со щелочностью 3 – 4 мг- экв/л и цветностью до 40 град

осветление жестких (6 – 8 мг-экв/л) малоцветных вод с повышенным солесодержанием ( 800 – 1000 мг/л ) и щелочностью более 5 мг- экв/ л.

6,5 – 7,5

Большое значение имеют условия растворимости гидроокиси алюминия и основных сульфатов алюминия. Если после отсеивания и фильтрования с очистной станции в водопроводную сеть поступает вода с содержанием алюминия, превышающим растворимость его соединений, которые образуются при данных величинах рН, то это означает, что вода находится в состоянии пересыщения соединениями алюминия и возникает опасность так называемой « отлежки », т.е выделения осадка соединений алюминия в трубах.

В качестве коагулянтов, как указано выше, применяют сернокислое закисное железо FеSO4 7Н2О ( железный купорос, хлорное железо FеСl3 и сернокислую окись железа Fе2 (SO4 )3.

Оптимальное значение рН для солей железа равно рН = 7,5 – 8. При недостаточной величине рН воды и при недостатке кислорода железо Fе2+ может оставаться в воде, выходящей из очистной станции.

При использовании в качестве коагулянтов солей железа дозы последних при очистке мутных вод можно принимать на 10 – 20 % меньше, чем сернокислого алюминия (в пересчете на безводные продукты). Выше указывалось, что при недостатке природной щелочности для проведения процесса коагуляции, воду нужно подщелачивать. Доза щелочи для обеспечения коагуляции, воду нужно подщелачивать. Доза щелочи для обеспечения коагуляции может быть определена по формуле


( 3.1 )


где М – доза реагента (технического продукта) для подщелачивания воды в мг / л ;

Д – доза коагулянта в пересчете на безводное активное вещество в мг / л ;

е1 и е2 – эквивалентный вес активной части соответственно реагента для подщелачивания и коагулянта в мг/мг – экв (табл. 3.3)

Щ – общая щелочность обрабатываемой воды в мг – экв / л;

С – содержание активного вещества в реагенте для подщелачивания воды в %;

1 – резервная щелочность, которая должна оставаться после обработки воды коагулянтом в мг – экв / л.


Эквивалентные веса активной части реагентов, используемых при очистке воды коагулированием.

Таблица 3.3


Реагент для подщелачивания Эквивалентный вес в мг / мг - экв Коагулянт

Эквивалентный вес в мг / мг – экв
СаО 28

Аl2(SO4)3

 57

Nа2СО3

 53

FеСl3

 54,1
NаОН 40

FеSO4

Fе2(SO4)3

76

66,7

Если при расчете по формуле (3.1) доза М получается величиной отрицательной, то это означает, что естественная щелочность воды достаточна и по соображениям сохранения резерва щелочности подщелачивания воды не требуется. Тем не менее добавление некоторого количества щелочного реагента в некоторых случаях может оказаться полезным для создания оптимальной величины рН и обеспечения благоприятных условий коагуляции.


3.2 Принципы процесса осветления воды в сооружениях.


В практике проектирования и эксплуатации очистных сооружений до последнего времени существовало большое разнообразие в конструкциях осветлителей и методах их расчета. Такое положение явилось следствием экспериментальных поисков наилучшей конструкции при недостаточной разработке теоретических основ технологии осветления воды во взвешенном осадке.

Обобщение накопленного опыта использования осветлителей в конечном счете позволило установить необходимость выполнения следующих трех основных требований.

  1. Создание оптимальных условий для формирования взвешенного фильтра и удержания избыточной взвеси. Выполнение этого требования возможно, если обеспечивается преимущественно контактная коагуляция, поддерживается определенная концентрация взвешенного фильтра, создаются необходимые гидравлические условия, исключающие старение, чрезмерное укрупнение и выпадение хлопьев на дно, обеспечивается необходимое время пребывания воды во взвешенном фильтре. В современных осветлителях выполнение этих требований нашло отражение в уменьшении объема зоны распределения (нижней части взвешенного фильтра ), создании условий для непрерывного снижения скорости воды ( наклонные стенки величиной расширения взвешенного слоя в потоке осветляемой воды и концентрацией взвешенного фильтра.

  2. Создание оптимальных условий для стабилизации взвешенного фильтра и эффекта осветления воды. Выполнение этого требования осуществляется при помощи принудительного отбора избыточного осадка, создания разности скоростей движения воды на границе между зоной взвешенного фильтра и зоной осветления, обеспечения равномерного сбора осветленной воды. Избыток осадка вместе с частью воды, следующей через взвешенный фильтр, отбирается через окна или трубы из выходной части взвешенного фильтра, а осветленная вода – через систему желобов с затопленными отверстиями или вырезами (водосливами ) в их бортах. Для принудительного движения воды через зону отделения осадка используется перепад уровней на осветлителе и за ним, в сборном кармане.

  3. Создание оптимальных условий для отделения, уплотнения и сброса в канализацию избыточного шлама. С этой целью расчетная скорость подъема воды в зоне отделения осадка принимается несколько (на 10 – 15 % ) меньшей по сравнению с расчетной скоростью в зоне осветления. Уплотнение осадка осуществляется в течении 4 – 12 ч ( и на это время рассчитывается рабочий объем осадкоуплотнителя). Угол наклона стенок осадкоуплотнителя к сбросному отверстию или сбросной системе принимается достаточным ( 50-600 ) для сползания уплотнившегося осадка без дополнительного воздействия.

На рисунке 3.1 представлена простейшая схема осветлителя с коническим диффузором.

Вода с реагентами поступает в осветлитель из воздухоотделителя по трубопроводу 1 в нижнюю часть конуса диффузора 2. Поднимаясь вверх, поток воды расширяется, скорость его уменьшается до величины, при которой в диффузоре образуется слой взвешенного осадка 3. По мере накопления осадка его избыток переливается через кромку диффузора и опускается в осадкоуплотнитель 4. Осветленная вода проходит через защитный слой воды над диффузором и по сборному желобу 5 отводится на фильтры. Осадок через дырчатую трубу 6 непрерывно или периодически по трубопроводу 7 отводится в канализацию.


3.3 Основные расчетные формулы и параметры осветлителей.


В технологических схемах осветления воды хозяйственно – питьевых вод изложенные выше требования выполняются в конструкциях с центральными осадкоуплотнителями (рис. 3.3.1. и 3.3.2.)

Основные формулы для расчета осветлителей позволяют определить необходимые площадь осветлителя в плане и объём зон накопления и уплотнения осадка

Площадь зоны осветления в м2 принимается наибольшей из определённых по формулам


(3.3.1)


или


(3.3.2)


где

Кр и К/ Р – коэффициенты распределения воды между зонами осветления и отделения осадка для летнего Q0 и зимнего Q/ 0 расчётного расхода осветлителей в м3/ч

vз.о и v/з.о. – соответствующие летнему и зимнему периодам расчётные скорости в зонах осветления мм/сек

Площадь зоны осветления осадка м2 в осветлителях с центральным осадкоуплотнителем


(3.3.3)


где α – коэффициент снижения скорости движения воды в зоне отделения осадка по сравнению со скоростью в зоне осветления принимаемым равным 0,9

Полная площадь осветлителей в м2:

с центральным осадкоуплотнителем


(3.3.4)


с поддонным осадкоуплотнителем



где f отб - суммарная площадь сечения труб в м2 для отбора осадка в осадкоуплотнитель, определяемая в зависимости от расчётной скорости движения воды в трубах, равной vотб.= 40 – 60 мм/сек по формуле


(3.3.5)


Объём зон накопления и уплотнения осадка в м3


(3.3.6)


где

М0 - Максимальное содержание взвешенных веществ в мг/л в воде, поступающей в осветлители;

m - Расчётное содержание взвеси в осветлённой воде, пренимаемое равное 8 -12 мг/л;

ty – время уплотнения осадка: ty = 3 – 6 часов при М0>400мг/л и

ty=6 – 12 часов при М0<400мг/л.


δСР – средняя концентрация взвешенных веществ в осадкоуплотнителе в мг/л.


Основные данные по расчётам по формулам (3.3.1), (3.3.3), (3.3.6) представлено в таблицах (3.3.1) и (3.3.2)

Таблица (3.3.1)

Расчётные скорости осветления и коэффициенты распределения


Мо в мг / л

vз.о в мм / сек

 Кр

зимой летом
10 - 100 0,7 – 0,8 0,9 - 1 0,8 – 0,75
100 - 400 0,8 - 1 1 – 1,1 0,75 – 0,7
400 - 1000 1 – 1,1 1,1 – 1,2 0,7 – 0,65
1000 - 2500 1,1 – 1,2 1,1 – 1,2 0,65 – 0,6

Средние концентрации осадка в осадкоуплотнителях. Таблица 3.3.2


Мо в мг/л

Средняя концентрация ( δср ) в мг/л при tу в ч


3 4 6 8 12

<100

6500 7500 8000 8500 9500
100 - 400 19000 21500 24000 25000 27000
400 - 1000 24000 25000 27000 29000 31000
> 1000 29000 31000 33000 35000 37000

Полная глубина осветлителей определяется по таблице.

Таблица 3.3.3

Высотные размеры осветлителей.


Параметры Величина Примечание

Глубина зон осветления Нз.о

 1,5 - 2 1. При назначении глубин зон меньшие значения следует относить к мутным водам ( Мо ≥ 400 мг/л)

взвешенного осадка Нз.в

Высотные размеры:

от плоскости отбора осадка до начала наклонных стенок У1

2 – 2,5


1,5 – 1,75

 2. Глубиной Нз.в считается растояние от плоскости отбора осадка до плоскости, где скорость восходящего потока достигает 2 мм /сек

Основная формула для определения расчетных расходов осветлителя:


в м3/сут ( 3.3.7 )


где :

Т – время работы осветлителей в течение суток;

Т = 24 ч

tпр – продолжительность в ч продувки одного осветлителя (включая время на подготовку продувки) ;

n – число продувок одного осветлителя в течение суток ;

Кn – коэффициент, определяющий степень снижения выдачи воды продуваемым осветлителем; расчетное значение Кn следует принимать равным единице. Это условие означает, что расчетный продувочный расход Qпр будет равен расчетной подаче на осветлитель и при продувке уровень воды не станет ниже расчетного.


Расчетная продолжительность в часах самой продувки определяется по формуле.


( 3.3.8 )


где

К пр – коэффициент разжижения осадка при его сбросе;

равен 1,2 ;

qпр – продувочный расход в м3/ч ; при Rн = 1 Qпр = Q0 ( расчетной производительности осветлителя ).

Необходимая наименьшая глубина в зависимости от типа осветлителя приближенно может быть определена по формулам:


Н мин = 1,9А > 0,6А + 3 м, (3.3.9 )


где

А – расчетный линейный параметр при определении глубины: ширина полосы зоны осветления, обслуживаемой одной распределительной трубой и двумя сборными трубами (или желобами ) или кольцевым желобом.

Наибольшее значение параметра А – диаметр, радиус или сторона осветлителя, ширина прямоугольной или кольцевой полосы – должно составить (из условия обеспечения равномерного отбора воды ) 3 – 3,5 м, а фактическая величина определяется в результате расчета размеров зоны осветления.

Если в соответствии с высотной схемой можно применить несколько типов, то решающим фактором в выборе одного из них будет величина потребной для их размещения площади, которую можно вписать в стандартную сетку размеров промышленных зданий. Окончательный выбор типа осветлителя в этом случае определяет наименьшее значение необходимой производственной площади.

Для предварительной ориентировки в выборе типа осветлителя может быть использована таблица, в которой приведены приближенные размеры осветлителей в зависимости от общей производительности установки ( в расчетах были приняты : vз.о = 1 мм / сек ; Кр = 0,8 ; Мо = 500 мг / л ; tу = 4 ч ;