Сооружения для подготовки питьевой воды

Основные методы улучшения качества природной воды и состав сооружений зависят от качества воды в источнике, от назначения водопровода. К основным методам очистки воды относятся:

1. осветление, которое достигается путем отстаивания воды в отстойнике или осветлителях для осаждения взвешенных частиц, находящихся в воде, и фильтрованием воды через фильтрующий материал;

2. обеззараживание (дезинфекция) для уничтожения болезнетворных бактерий;

3. умягчение – уменьшение в воде солей кальция и магния;

4. специальная обработка воды – обессоливание (опреснение), обезжелезивание, стабилизация – применяют, в основном для производственных целей.

Схема сооружений для подготовки питьевой воды с применением отстойника и фильтра показана на рис. 1.8.

Очистка природной воды для питьевых целей состоит из следующих мероприятий: коагулирование, осветление, фильтрование, обеззараживание с помощью хлорирования.

Коагулированиеиспользуетсядля ускорения процесса осаждения взвешенных веществ. Для этого в воду добавляют химические реагенты, так называемые коагулянты, которые вступают в реакцию с находящимися в воде солями, способствуя осаждению взвешенных и коллоидных частиц. Раствор коагулянта готовится и дозируется на установках, называемых реагентным хозяйством. Коагулирование является весьма сложным процессом. В основном коагулянты укрупняют взвешенные вещества путем их слипания. В качестве коагулянта в воду вводят соли алюминия или железа. Чаще используют сернокислый алюминий Al2(SO4)3, железный купорос FeSO4, хлорное железо FeCl3. Их количество зависит от рН воды (активная реакция воды рН определяется концентрацией водородных ионов: рН=7 среда нейтральная, рН>7-кислая, рН<7-щелочная). Доза коагулянта зависит от мутности и цветности воды и определяется согласно СНиП РК 04.01.02.–2001 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения». Для коагулирования используют мокрый способ дозирования реагентов. Коагулянт вводят в воду уже растворенный. Для этого имеется растворный бак, два расходных бака, где готовится раствор определенной концентрации путем добавления воды. Готовый раствор коагулянта подается в дозировочный бачок, имеющий поплавковый клапан, поддерживающий постоянный уровень воды. Затем из него раствор подается в смесители.

Рис. 1.8. Схемы станций водоподготовки: с камерой образования хлопьев, отстойниками и фильтрами (А); с осветлителем со взвешенным осадком и фильтрами (Б)

1 – насос первого подъема; 2 – реагентный цех; 3 – смеситель; 4 – камерахлопьеобразования; 5 – отстойник; 6 – фильтр; 7 – трубопровод для входа хлора; 8 – резервуар очищенной воды; 9 – насос второго подъема; 10 – осветлитель со взвешенным осадком

Для ускорения процесса коагулирования вводят флокулянты: полиакриламид, кремнекислоту. Наиболее распространены следующие конструкциисмесителей: перегородчатые, дырчатые и вихревые. Процесс смешивания должен проходить до образования хлопьев, поэтому пребывание воды в смесителе не более 2 минут. Смеситель перегородчатый – лоток с перегородками под углом 45°. Вода несколько раз меняет свое направление, образуя интенсивные завихрения, и способствует перемешиванию коагулянта. Дырчатые смесители – в поперечных перегородках имеются отверстия, вода, проходя через них, также образует завихрения, способствуя перемешиванию коагулянта. Вихревые смесители – вертикальные смесители, где перемешивание происходит за счет турбулизации вертикального потока.

Из смесителя вода поступает в камеру хлопьеобразования (камера реакций). Здесь она находится 10 – 40 минут для получения крупных хлопьев. Скорость движения в камере такая, что не происходит выпадение хлопьев и их разрушение.

Различают камеры хлопьеобразования: водоворотные, перегородчатые, лопастные, вихревые в зависимости от способа перемешивания. Перегородчатые – железобетонный резервуар разделяется перегородками (продольными) на коридоры. Вода проходит по ним со скоростью 0,2 – 0,3 м/с. Число коридоров зависит от мутности воды. Лопастные – с вертикальным или горизонтальным расположением вала мешалок. Вихревые – резервуар в виде гидроциклона (конические, расширяющиеся кверху). Вода поступает снизу и движется с уменьшающейся скоростью от 0,7 м/с до 4 – 5 мм/с, при этом периферийные слои воды втягиваются в основной, создается вихревое движение, что способствует хорошему перемешиванию и хлопьеобразованию. Из камеры хлопьеобразования вода поступает в отстойник или осветлители для осветления.

Осветление – это процесс выделения из воды взвешенных веществ при ее движении с малыми скоростями через специальные сооружения: отстойники, осветлители. Осаждение частиц происходит под действием силы тяжести, т.к. удельный вес частиц больше удельного веса воды. Источники водоснабжения имеют различное содержание взвешенных частиц, т.е. имеют разную мутность, следовательно, продолжительность осветления будет разной.

Различают отстойники горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Горизонтальные отстойники используются при производительности станции более 30000 м³/сут., представляют собой прямоугольный резервуар с обратным уклоном дна для удаления скопившегося осадка путем обратной промывки. Подача воды осуществляется с торца. Относительно равномерное движение достигается устройством дырчатых перегородок, водосливов, сборных карманов, желобов. Отстойник может быть двухсекционным, при ширине секции не более 6 м. Время отстаивания – 4 часа.

Вертикальные отстойники – при производительности станции очистки до 3000 м³/сут. В центре отстойника имеется труба, куда подается вода. Отстойник круглый или квадратный в плане с коническим дном (a=50-70°). По трубе вода опускается вниз отстойника, а затем поднимается вверх с малой скоростью в рабочую часть отстойника, где через водослив собирается в круговом лотке. Скорость восходящего потока 0,5 – 0,75 мм/с, т.е. она должна быть меньше скорости осаждения взвешенных частиц. При этом диаметр отстойника не более 10 м, отношение диаметра отстойника к высоте осаждения равна 1,5. Число отстойников не менее 2-х. Иногда отстойник совмещают с камерой хлопьеобразования, которая располагается вместо центральной трубы. В этом случае вода поступает из сопла по касательной со скоростью 2 – 3 м/с, создавая условия для хлопьеобразования. Для гашения вращательного движения в нижней части отстойника устраивают решетки. Время отстаивания в вертикальных отстойниках – 2 часа.

Радиальные отстойники – это круглые резервуары с малоконическим дном, применяются в промышленном водоснабжении, при высоком содержании взвешенных частиц при производительности более 40000 м³/сут.

Вода подается в центр, а затем движется в радиальном направлении к сборному лотку по периферии отстойника, из которого отводится по трубе. Осветление также происходит за счет создания малых скоростей движения. Отстойники имеют небольшую глубину 3 – 5 м в центре, 1,5 – 3 м на периферии, диаметр 20 – 60 м. Осадок удаляют механизированным способом, скребками, не прекращая работу отстойника.

Осветлители. Процесс осветления в них происходит интенсивнее, т.к. вода после коагулирования проходит через слой взвешенного осадка, который поддерживается в таком состоянии током воды (рис. 1.9).

Частицы взвешенного осадка способствуют большему укрупнению хлопьев коагулянта. Крупные хлопья могут задержать больше взвешенных частиц в осветляемой воде. Такой принцип положен в основу работы осветлителей с взвешенным осадком. Осветлители при равных объемах с отстойниками имеют большую производительность, требуют меньше коагулянта. Для удаления воздуха, который может взмучивать взвешенный осадок, вода предварительно направляется в воздухоотделитель. В осветлитель коридорного типа осветляемая вода подается по трубе снизу и распределяется дырчатыми трубами в боковых отсеках (коридорах) в нижней части.

Скорость восходящего потока в рабочей части должна быть 1-1,2 мм/с, чтобы хлопья коагулянта находились во взвешенном состоянии. При прохождении через слой взвешенного осадка взвешенные частицы задерживаются, высота взвешенного осадка 2 – 2,5 м. Степень осветления выше, чем в отстойнике. Выше рабочей части находится защитная зона, где взвешенного осадка нет. Затем осветленная вода попадает в сборный лоток, из которого по трубопроводу подается на фильтр. Высота рабочей части (зоны осветления) – 1,5-2 м.

Фильтрование воды.После осветления вода фильтруется, для этого используют фильтры, имеющие слой фильтрующего мелкозернистого материала, в котором при прохождении воды задерживаются частицы мелкой взвеси. Фильтрующий материал – кварцевый песок, гравий, дробленый антрацит. Фильтры бывают скорые, сверхскоростные, медленные: скорые – работают с коагулированием; медленные – без коагулирования; сверхскоростные – с коагулированием и без.

Различают фильтры напорные (сверхскоростные), безнапорные (скорые и медленные). В напорных фильтрах вода через слой фильтра проходит под напором, создаваемым насосами. В безнапорных – под напором, созданным разностью отметок воды в фильтре и на выходе из него.

Рис. 1.9. Осветлитель со взвешенным осадком коридорного типа

1 – рабочая камера; 2 – осадкоуплотнитель; 3 – окна прикрытые козырьками; 4 – трубопроводы для подачи осветляемой воды; 5 – трубопроводы для выпуска осадка; 6 – трубопроводы для отбора воды из осадкоуплотнителя; 7 – задвижка; 8 – желоба; 9 – сборный лоток

В открытых (безнапорных) скорых фильтрах вода подается с торца в карман и проходит сверху вниз через слой фильтра и поддерживающий слой гравия, затем через дырчатое дно поступает в дренаж, оттуда по трубопроводу в резервуар чистой воды. Промывка фильтра проходит обратным током через отводящий трубопровод снизу вверх, вода собирается в промывных желобах, затем отводится в канализацию. Толщина фильтровой загрузки зависит от крупности песка и принимается 0,7 – 2 м. Расчетная скорость фильтрования – 5,5-10 м/ч. Время промывания – 5-8 минут. Назначение дренажа – равномерное отведение профильтрованной воды. Сейчас используют двухслойные фильтры, загружают вначале (сверху вниз) дробленый антрацит (400 – 500 мм), затем песок (600 – 700 мм), поддерживающий гравийный слой (650 мм). Последний слой служит для предотвращения вымывания фильтровой загрузки.

Кроме однопоточного фильтра (о котором уже сказано), используют двухпоточные, в которых подача воды осуществляется двумя потоками: сверху и снизу, отвод профильтрованной воды по одной трубе. Скорость фильтрования – 12 м/час. Производительность двухпоточного фильтра в 2 раза больше однопоточного.

Обеззараживание воды.При отстаивании и фильтровании задерживается большая часть бактерий до 95 %. Оставшиеся бактерии уничтожаются в результате обеззараживания.

Обеззараживание воды достигается следующими способами:

1. Хлорирование проводят жидким хлором и хлорной известью. Эффект хлорирования достигается при интенсивности перемешивания хлора с водой в трубопроводе или в специальном резервуаре в течение 30 минут. На 1 л фильтрованной воды вводят 2-3 мг хлора, а на 1л нефильтрованной воды – 6 мг хлора. Вода, поступающая к потребителю, должна содержать 0,3 – 0,5 мг хлора на 1 л, так называемый остаточный хлор. Обычно используют двойное хлорирование: до и после фильтрования.

Дозируют хлор в специальных хлораторах, которые бывают напорные и вакуумные. Напорные хлораторы имеют недостаток: жидкий хлор находится под давлением выше атмосферного, поэтому возможны утечки газа, который ядовит; вакуумные – не имеют этого недостатка. Хлор доставляется в сжиженном виде в баллонах, из него хлор переливают в промежуточный, где он переходит в газообразное состояние. Газ поступает в хлоратор, где растворяется в водопроводной воде, образуя хлорную воду, которая затем вводится в трубопровод, транспортирующий воду, предназначенную для хлорирования. При повышении дозы хлора в воде остается неприятный запах, такую воду надо дехлорировать.

2. Озонирование – это обеззараживание воды озоном (окисление бактерии атомарным кислородом, получаемым при расщеплении озона). Озон устраняет цветность, запахи и привкусы воды. Для обеззараживания 1л подземных источников необходимо 0,75 – 1 мг озона, 1 л фильтрованной воды поверхностных источников – 1-3 мг озона.

3. Ультрафиолетовое облучение производят с помощью ультрафиолетовых лучей. Этот способ используют для обеззараживания подземных источников с небольшими расходами и фильтрованной воды поверхностных источников. В качестве источников излучения служат ртутно-кварцевые лампы высокого и низкого давления. Различают напорные установки, которые устанавливают в напорных трубопроводах, безнапорные – на горизонтальных трубопроводах и в специальных каналах. Эффект обеззараживания зависит от продолжительности и интенсивности излучения. Этот метод не применяется для вод высокой мутности.

Водопроводная сеть

Водопроводные сети разделяются на магистральные и распределительные. Магистральные – транспортируют транзитные массы воды к объектам потребления, распределительные – подводят воду из магистралей к отдельным зданиям.

При трассировке водопроводных сетей следует учитывать планировку объекта водоснабжения, размещение потребителей, рельеф местности.

Рис. 1.10. Схемы водопроводных сетей

а – разветвленная (тупиковая); б – кольцевая

По очертанию в плане водопроводные сети различают: тупиковые и кольцевые.

Тупиковые сети используют для тех объектов водоснабжения, которые допускают перерыв в подаче воды (рис. 1.10, а). Кольцевые сети более надежны в работе, т.к. в случае аварии на одной из линий потребители будут снабжаться водой по другой линии (рис. 1.10, б). Противопожарные водопроводные сети обязательно должны быть кольцевыми.

Для наружного водопровода используют чугунные, стальные, железобетонные, асбестоцементные, полиэтиленовые трубы.

Чугунные трубы с антикоррозийным покрытием долговечны и применяются широко. Недостаток – плохое сопротивление динамическим нагрузкам. Чугунные трубы – раструбные, диаметром 50 – 1200 мм при длине 2 – 7 м. От коррозии трубы асфальтируют изнутри и снаружи. Заделку стыков выполняют просмоленной прядью при помощи конопатки, затем стык заделывают асбестоцементом с уплотнением при помощи молотка и чеканки.

Стальные трубы диаметром 200 – 1400 мм применяют при укладке водоводов и распределительных сетей при давлении больше 10 атм. Стальные трубы соединяют при помощи сварки. Водогазопроводные – на муфтах с резьбой. Снаружи покрываются стальные трубы битумной мастикой или крафт-бумагой в 1 – 3 слоя. По способу изготовления трубы различают: прямошовные сварные трубы диаметром 400 – 1400 мм, длиной 5 – 6 м; бесшовные (горячекатаные) диаметром 200 – 800 мм.

Асбестоцементные трубы выпускают диаметром 50 – 500 мм, длиной 3 – 4 м. Преимущество – диэлектричность (не подвергаются действию блуждающих электрических токов). Недостаток: подвергаются механическим воздействиям, связанным с динамическими нагрузками. Поэтому нужно соблюдать осторожность при транспортировке. Соединение – муфтовое с резиновыми кольцами.

Железобетонные трубы диаметром 500 – 1600 мм используются в качестве водоводов, соединение – пальцевое.

Полиэтиленовые трубы стойки против коррозии, прочны, долговечны, оказывают меньшее гидравлическое сопротивление. Недостаток – большой коэффициент линейного расширения. При выборе материала труб следует учитывать условия проектирования, климатические данные. На водопроводных сетях для нормальной эксплуатации устанавливают арматуру: запорно-регулирующую (задвижки, вентили), водоразборную (колонки, краны, гидранты), предохранительную (обратные клапаны, воздушные вантузы). В местах установки фасонных частей и арматуры устраивают смотровые колодцы. Водопроводные колодцы на сетях устраивают из сборного железобетона.

Расчет водопроводной сети заключается в установлении диаметра труб, достаточном для пропуска расчетных расходов, и определении потерь напора в них. Глубина заложения водопроводных труб зависит от глубины промерзания грунта, материала труб. Глубина заложения труб (до низа трубы) должна быть на 0,5 м ниже расчетной глубины промерзания грунта в данном климатическом регионе.