В В Е Д Е Н И Е

Общее количество воды на земле оценивается в 14000 млн.км³ . Однако стационарные запасы пресных вод, пригодных для использования составляют всего 0,3 % объема гидросферы ( около 4 млн.км³ ).

Вода на нашей планете находится в состоянии круговорота. Под действием солнечной энергии вода испаряется с поверхности мирового океана и суши, а затем выпадает в виде атмосферных осадков.

С поверхности мирового океана испаряется около 412 тысяч км³ в год, а количество атмосферных осадков, выпадающих на поверхность морей и океанов, составляют около 310 тыс. км³ в год. Разница и представляет собой речной сток с суши в моря и океаны.

Единовременный запас воды во всех реках земного шара составляет примерно 1200 км³ , причем этот объем возобновляется примерно каждые 12 суток.

Речной сток состоит из подземного и поверхносного. Наиболее ценным является подземный источник воды.

В природе не существует воды, которая не содержала бы примесей. Даже атмосферные осадки содержат до 100 мг / л различных загрязнителей.

По степени минерализации вода делится на маломинерализованную (до 200 мг / л солей), среднеминерализованную (200 – 500 мг / л ) и сильноминерализованную(до 1000 мг/л). Природные воды содержат также коллоидные, мелкодисперсные газы – кислород, диоксид углерода (СО₂ ) и другие.

Централизованное снабжение водой городов, поселков и промышленных предприятий представляет собой сложный комплекс технико-экономических и организационных мероприятий. Их рациональное решение определяет уровень санитарного благоустройства городов и поселков, обеспечивает нормальные условия жизни населения, гарантирует бесперебойную работу промышленности.

Запасы пресной воды ограничены и распределены по поверхности и в земной коре неравномерно.

Огромное количество пресной воды необходимо для функционирования промышленных предприятий. Еще большее количество пресной воды используется в сельском хозяйстве, в рыбоводческих хозяйствах. Повышение жизненного уровня населения также требует больших расходов пресной воды на хозяйственные и бытовые нужды. В среднем один человек расходует около 250 литров воды в сутки. Создается диспропорция между естественным запасом пресной воды и ее потреблением. Возникает угроза дефицита воды. В этой связи возникает вопрос о рациональном использовании водных ресурсов.

Для целей водоснабжения используются воды как поверхностных, так и подземных источников. В России около 17 % централизованных систем водоснабжения базируются на использовании подземных вод, которые характеризуются бесцветностью, высокой прозрачностью и значительной минерализацией.

В последние годы органами Санэпиднадзора к качеству питьевой воды предъявляются высокие требования, неукоснительное соблюдение требований СанПИН 2.1.4. 559 – 96 « Вода питьевая » и ГОСТ 2874 – 82 « Водоснабжение населенных мест ». Для выполнения указанных норм часто приходится прибегать к специальным методам обработки воды, таким как умягчение, обезжелезивание, дегазация, стабилизация и другие.

Настоящий дипломный проект посвящен реконструкции водоочистной станции города Электроугли Московской области. До 2002 года водоснабжение этого города осуществлялось исключительно из глубинных водоносных горизонтов. В силу объективных причин эти водоносные горизонты сильно истощились. Крупных поверхностных источников воды на востоке Московской области нет. 1996 году было принято решение о строительстве водовода из Владимирской области. В 2002 году были проложены две нитки водовода по Владимирской области следующим районам Московской области: Орехово – Зуевскому, Павло – Посадскому и Ногинскому. Источник водоснабжения - река Ока - приток Волги.

Процессы подготовки поверхностных и глубинных вод для питьевых целей различаются. В дипломном проекте затрагиваются в основном процессы подготовки поверхностных вод.

Г Л А В А 1

Современное состояние глубинных водоносных горизонтов Московской области.

В Московской области имеется около 70 городов и свыше 100 рабочих поселков городского типа с населением свыше 6 млн. человек. В настоящее время коммунальными и ведомственными водопроводами обеспечены все города и около 80 рабочих поселков с суточной подачей воды около 800 тыс. м³ . Протяженность сетей хозяйственно – питьевых водопроводов около 3000 км.

Большинство централизованных систем водоснабжения области использует подземные воды, которые забираются с помощью трубчатых колодцев. При этом 80 % всего получаемого количества воды подает на города и поселки городского типа, хотя количество находящихся в них скважин составляет всего 15 % общего их числа в Московской области.

Как показали геологические изыскания потребление подземных вод по Московской области можно довести до 3,5 – 4 млн.м³ в сутки. Однако это требует четкого соблюдения регламентаций в части размещения трубчатых колодцев и соблюдения зон санитарной охраны. Рассредоточение мест размещения водозаборов вызывают некоторые технико-экономические затруднения. Иногда это требует прокладки длинных водопроводов значительного диаметра. Например, для города Коломна потребовалось проложить две нитки водоводов диаметром 500 мм протяженностью 6 километров.

В ряде районов Московской области произошло резкое снижение уровней подземных вод в результате интенсивного водоотбора. Так статический уровень среднего Карбона в городе Раменское до начала эксплуатации составлен 9 м от поверхности земли, а уже в 1996 году он находился в 32 м от поверхности земли.

Около 65 % получаемой подземной воды используется для промышленных целей. Многие предприятия расходуют подземные воды в большом количестве прямотоком для технологических целей, охлаждения машин и оборудования. Значительная часть предприятий Московской области могла бы расходовать для технических нужд воду поверхностных источников без какой либо очистки. Высвободившееся подземные воды могли бы быть использованы для хозяйственно – бытового водоснабжения населения городов и поселков. Поэтому был поставлен вопрос областными организациями о переводе производственного водоснабжения г.г. Жуковский, Раменское, Клин, Электросталь, Химки, Подольск и другие на поверхностные источники с зарегулированным стоком.

В некоторых районах области и в отдельных городах ввиду интенсивного возрастающего использования подземных вод наблюдается их нехватка. В связи с этим выдвигается вопрос о возврате использованной воды в водоносный горизонт или об искусственном обогащении подземных вод путем использования поверхностных с фильтрацией через толщу грунтов как это имеет место в зарубежных странах. Использование для этой цели нагнетательных скважин не может быть принято, т.к. это связано с поступлением в водоносный горизонт поверхностных вод низкого качества.

Для обеспечения надлежащего качества подземных вод важное значение имеет организация зон санитарной охраны источника водоснабжения. Путем создания санитарной зоны, т.е. выделения специальной территории, связанной непосредственно с источником водоснабжения и водопроводными сооружениями, возможность загрязнения и ухудшения качества воды, подаваемой потребителям, сводится до минимума.

Подземный водоносный комплекс Московской области представлен пятью горизонтами каменноугольных палеозойских отложений, представляющих интерес для водоснабжения: водоносный горизонт окской и серпуховской свит нижнего карбона, каширский и мячковско – подольский горизонты среднего карбона, касимовский и гжельский горизонты верхнего карбона.

Водоносные горизонты тульской, угленосной и упинской толщ нижнего карбона, расположенные подокскими известняками, а также горизонты верхнего девона на территории Московской области характеризуются малым водообилием и повышенной минерализацией вод.

Указанные пять водоносных горизонта, используемые для водоснабжения, отделены друг от друга значительными толщами глин, затрудняющими связь вод отдельных горизонтов. Каждый горизонт имеет свои условия формирования вод и различно реагирует на местные условия.

Водоносный горизонт окской и серпуховской свит нижнего карбона мощностью 60 – 70 м представлен известняками и доломитами. На юге области в пониженной части долины р. Ока водоносный горизонт имеет очень большое водообилие. Удельные дебиты скважин часто превышают 50 м³ / час, в то время как в других районах области удельные дебиты скважин этого горизонта редко достигают 25 м³ / час.

Каширский водоносный горизонт среднего карбона мощностью 40 – 60 м, представлен известняками и доломитами с прослойками известковых глин, характеризуется малым изобилием.

Исключение составляет территория города Коломна, где в силу специфических гидрогеологических условий наблюдаются значительные удельные дебиты водозаборных трубчатых колодцев.

Московско – подольский водоносный горизонт верхнего карбона мощностью около 45 м представлен доломитами и известняками с многочисленными прослойками известковых глин. В зоне, прилегающей к южной границе его распространения, встречаются участки, где он состоит, в основном, из глин, являясь практически безводным. В местах, где водоносный горизонт покрыт гжельскими отложениями, удельные дебиты трубчатых колодцев не превышают 15 м³ / час, а там, где гжельские отложения отсутствуют и водоносный горизонт располагается на небольшой глубине, удельные дебиты достигают 60 м³ / час ( например город Щелково ).

Гжельский водоносный горизонт верхнего карбона мощностью около 75 м состоит из доломитов и известняков с очень редкими и маломощными прослойками мергеля и известняковой глины. Горизонт имеет хорошо развитую трещиноватостъ и большое водообилие. Удельные дебиты трубчатых колодцев иногда превышают 60 м³ / час. В пределах Клинско - Дмитровской гряды удельные дебиты уменьшаются до 10 – 20 м³ / час.

В северной, восточной и на большей центральной части области отложения карбон покрыты толщей верхнеюрских глин мощностью от 10 до 60 м ( район города Истры ). Верхнеюрские глины служат водоупорной кровлей для вод карбона и создает напорность этих вод. В значительной части распространения верхнеюрских глин на них лежат пески и глины волжского яруса верхней юры и нижнего мела мощностью до 30 м (110 м в пределах Клинско–Дмитровской гряды).

Нижне – и верхнемеловые пески волжского яруса содержат огромные запасы подземных вод. Однако использовать эти воды для централизованного водоснабжения крайне трудно, т.к. пески очень мелкозернистые и глинистые с плохой водоотдачей. Вопрос использования этих вод является очень актуальным. Особенно в северных районах области.

Качество меловых вод, как правило, удовлетворительное. Они относятся к гидрокарбонатному типу с плотным остатком 200–300 мг /л, но часто содержат большие количества железа (до 10 мг /л). В опоковидных песчаниках верхнего мела и трепелах встречаются воды, которые в Загорском районе питают родники и колодцы. Такие воды слабоминерализованные, гидрокарбонатного типа с плотным остатком в пределах 150-200 мг / л.

Анализируя водоносный комплекс Московской области можно сделать вывод, что условия захвата подземных вод каменноугольных отложений чрезвычайно разнообразны. Поэтому глубины трубчатых колодцев, конструкция фильтров и оборудование варьируется в широких пределах.

По условиям залегания водоносных горизонтов, по качеству вод территорию области можно разделить на семь гидрогеологических районов.

1. Южный район имеет трубчатые колодцы, питающиеся водами серпуховской и окской свит нижнего карбона, глубиной 40 – 120 м с удельным дебитом до 15 м³ / час. Статические уровни воды в колодцах располагаются на глубине от 10 до 70 м. Плотные остатки вод не превышают 600 мг / л, содержание фтора около 1 мг / л.

2. Водозаборные скважины Юго – западного региона питаются водами каширского водоносного горизонта среднего карбона и серпуховской и окской свит нижнего карбона, Каширский водоносный горизонт характеризуется, как правило, небольшим водообилием. Удельные дебиты скважин составляют 2 – 3 м³ /час. В верхних слоях горизонта плотный остаток вод не превышает 300 мг / л, а содержание фтора порядка 0,5 мг / л. В нижних слоях плотный остаток до 500 мг / л. а фтор до 3 мг /л.

Водоносный горизонт нижнего карбона более водообилен. Удельные дебиты здесь достигают 5 – 7 м³ / час. Характерно, что минерализация вод нижнего карбона уменьшается с юго – востока на северо – запад. В юго – восточных частях района плотный остаток достигает 900 мг / л, содержание фтора составляет 2,5 – 3 мг / л, значительно возрастает сульфатность вод. В северо – западных частях района плотный осадок не превышает 400 мг /л, а количество фтора в воде до 1 мг /л.

3. Большой центральный район занимает значительную часть территории области. Трубчатые колодцы района питаются главным образом водами мячковско – подольского водоносного горизонта, реже – каширского водоносного горизонта среднего карбона и горизонтов нижнего карбона. В этом районе колодцы следует закладывать на мячковско – подольский горизонт, который характеризуется большим водообилием, чем нижнележащие горизонты. Удельный дебит скважин рекомендуемого горизонта достигает 15 м³ /час.

Воды Мячковско – подольского водоносного горизонта характеризуются плотным остатком до 500 мг / час, содержанием фтора обычно до 1 мг / л и относятся к гидрокарбонатному или гидрокарбонатно-сульфатному типу. Участки территории, приуроченные к районам залегания мезозойский фосфоритных отложений характеризуются водами с содержанием фтора до 5 мг /л.

4. В малом центральном районе трубчатые колодцы питаются водами Касимовского горизонта верхнего карбона и Мячковско – Подольского горизонта среднего карбона. Касимовский горизонт у южной границы района имеет мощность 10 – 20 м, к северу мощность его увеличивается до 45 м. Водообилие горизонта возрастает с юга на север, где удельный дебит скважин достигает 20 м³ / час. Воды горизонта имеют слабую минерализацию, плотный остаток не выше 300 мг/л, количество фтора до 0,6 мг л.

Мячковско - Подольский горизонт характеризуется небольшим водообилием, удельные дебиты достигают 10 м³ / час. Воды характеризуются значительной сульфатностью и минерализацией. Плотный остаток достигает до 1650 мг / л, содержание фтора составляет 5,5 мг /л.

5. В восточном районе для водоснабжения используются воды гжельского и касимовского водоносных горизонтов верхнего карбона. Гжельский и касимовский горизонты характеризуются средним водообилием, удельные дебиты скважин превышают 20 м³ / час. Воды обоих водоносных горизонтов слабоминерализованные, гидрокарбонатные с плотным остатком до 300 мг / л, количество фтора до 0,6 мг /л. В наиболее низменных участках района встречаются скважины, воды которых имеют плотный остаток порядка 500 мг /л, повышенную сульфатность, а содержание фтора достигает 1,5 мг /л.

Воды среднего и нижнего карбона этого района непригодны для водоснабжения из – за высокой минерализации (плотный остаток свыше 3000 мг / л ).

6. В Клинско – Дмитровском районе водозаборные колодцы питаются водами гжельского и касимовского горизонтов верхнего карбона. Воды гжельского горизонта гидрокарбонатного типа характерны слабой минерализацией, плотный остаток до 350 мг /л, содержание фтора до 0,3 мг /л. Водообилие скважин очень переменно (10 – 20 м³ /час ).

Касимовский горизонт имеет воду гидрокарбонатного типа с несколько большей минерализацией, содержание фтора до 1,2 мг /л.

7. Для водоснабжения в приволжском гидрогеологическом районе используются воды гжельского водоносного горизонта верхнего карбона. Удельные дебиты скважин обычно равны 10 – 20 м³ / час, плотный остаток 400 – 700 мг /л, содержание фтора до 2 мг /л.

Из характеристик гидрогеологических районов области видно. Что наиболее трудные условия получения подземных вод наблюдается в юго – западном подземных вод наблюдаются в юго – западном и малом центральном районах, где касимовский горизонт верхнего карбона и мячковско – подольский горизонт среднего карбона характеризуются малым водообилием, вода отличается большей жесткостью ( до 30 мг – экв / л ) и значительным содержанием фтора (до 4 мг /л ).

В каждом гидрогеологическом районе наряду с общими условиями использования подземных вод имеются отклонения. Например, в благоприятном большом центральном районе вблизи города Кунцево отмечается отсутствие мячковско – подольского горизонта, а водоносные горизонты Каширский и Нижнего карбона характеризуются малым водообилием, а вода – большим содержанием фтора (до 5 мг /л ).

Другим выводом из анализа качества вод гидрогеологических районов области является следующее. Степень минерализации воды и содержание фтора увеличиваются по мере погружения горизонта, т.е. в направлении его падения, следовательно для получения более пресной воды с меньшим содержанием фтора водозаборные колодцы необходимо бурить на водоносный горизонт карбона, залегающий ближе к поверхности земли, если это возможно по санитарным условиям.

При использовании подземных вод большое значение имеет содержание в них железа. В подземных водах на территории Московской области железо содержится в грунтовых водах и в самом верхнем горизонте каменноугольных отложений. В грунтовые воды, приуроченные к четвертичным отложениям, железо попадает из железистых соединений преимущественно лимонитов, а в воды межпластовых и каменноугольных отложений – из пород континентальной толщи верхнегорских отложений, содержащих пириты.

На участках, где четвертичные отложения (или отложения пород континентальной толщи ) залегают на водоносном горизонте карбона при отсутствии юрских глин, воды этих отложений проникают в трещиноватыеизвестняки, вызывая ожелезивание глубоких вод до10 мг /л и более ( например Можайский район ).

В водах нижних водоносных горизонтов железо находится в небольших количествах, обычно не более 0,3 мг / л, что является вполне приемлемым.

Однако даже при отсутствии континентальных отложений и наличии юрских глин часты случаи получения воды со значительным содержанием железа из – за недостатков конструкции скважин, если глины пройдены насквозь колонной обсадных труб и ожелезенные воды четвертичных отложений проникают в скважину.

Различные соединения железа содержатся в коре выветривания карбона, поэтому верхние его слои толщиной 2–3 м надлежит надежно перекрывать обсадными трубами даже с подбашмачной цементацией. Соединения железа наблюдаются и в глинах, разделяющих, касимовский и гжельский горизонты верхнего карбона. Их также следует изолировать глухими участками труб. Наблюдаются случаи, когда трубчатые колодцы дают воду с большим содержанием железа в результате неправильного крепления их обсадными трубами. При неплотном соприкосновении стенок колодца с верхнеюрскими глинами по затрубным пространствам в него проникают воды четвертичных отложений, содержащие значительное количество железа.

Интересно отметить, что в подземных водах железо почти всегда встречается вместе с серо водородом. Сероводород переводит окисное, нерастворимое в воде железо, в закисное – растворимое. В водопроводных сооружениях сероводород улетучивается, закисное железо под действием кислорода воздуха переходит в окисное, а затем в выпадающий в осадок гидрат окиси железа. Появление сероводорода в подземных водах можно объяснить за счет гниения органических соединений. В связи с этим на территории, где в подземные воды проникают органические вещества в воде обнаруживается сероводород и железо (районы г.г. Люблино и Люберцы ). Воды с повышенным содержанием железа отличаются значительной окисляемостью. Это также справедливо для восточных районов области, где имеются большие площади, занятые торфяником.

В Московской области используют почти исключительно водоносные горизонты, достаточно хорошо защищенные водонепроницаемой кровлей глин. Несмотря на это известны несколько случаев ухудшения качества подземных вод из –за нарушения защищенности водоносного горизонта от интенсивных поверхностных загрязнений или по причине редкого возрастания водоотбора. Так в городе Люберцы и его окрестностях на части территории качество подземных вод значительно изменилось. Например, содержание хлоридов с 3–5 мг / л возросло до 70–120 мг / л содержание железа возросло в 6–10 раз и составляет порядка 4–5 мг / л.

Однако, несмотря на значительное изменение химического состава подземных вод, в бактериологическом отношении их качество осталось неизменно высоким. Изменение качества подземных вод в данном случае можно объяснить влиянием Люберецких полей фильтрации в результате некоторого нарушение защитных слоев на территории города, а также заметно возрос отбор воды.

Ярким примером нежелательного ухудшения качества подаваемых вод в результате загрязнения являются случай на заводе « Акрихин » (поселок Купавна ). На территории завода были пробурены еще в 1935 г два трубчатых колодца, снабжавшие водой завод и жилой поселок. Первоначально вода полностью отвечала требованиям ГОСТа на питьевую воду, однако вскоре колодцы стали подавать воду неудовлетворительного качества с большим количеством органики и неприятными специфическими вкусом и запахом с явными признаками производственных стоков завода. Это вынудило к бурению новых трубчатых колодцев для хозяйственно – питьевого водоснабжения. Последние пробурены на территории поселка на расстоянии 3 – 4 км от действующих. Заводские скважины были выведены на производственное водоснабжение и избежание распространения загрязнений по водоносному горизонту их пришлось усиленно откачивать. Причиной загрязнение подземных вод действительно явились производственные стоки завода. Обработка сточных вод завода ранее была предусмотрена на полях фильтрации, расположенных выше по течению потока подземных вод. В результате размыва водоупорных глинистых слоев водоносный горизонт на значительной территории оказался покрыт лишь слоем песка (порода с хорошим коэффициентом фильтрации ). Мощность песков оказалась недостаточной и почти неочищенные производственные стоки, вступая в контакт подземными водами, ухудшали их качество.

Таким образом, можно сделать осторожный вывод о том, что в течение будущих десятилетий будет наблюдаться тенденция к переходу водоснабжения городов и поселков Московской области из поверхностных или открытых источников воды.

Г Л А В А 2

Оценка качества воды в источниках водоснабжения

2.1. Анализ воды и форма его выражения

При оценке качества воды, предназначенной для удовлетворения хозяйственно – питьевых потребностей, обычно используется анализ ( тип 2 ), в процессе которого определяются : физические свойства ( температура, запах и вкус, прозрачность или мутность, цветность), Cl^- , SО₄ ^2- , НСО₃ ^- , СО₃ ^2- , NO₃ ^- , Са²⁺ ,Мg²⁺ , Fе^2+, Fе³⁺ , рН, СО₂ ( свободная ), сухой остаток Р, NO₂ ^- , NН₄ ⁺ и окисляемость. Анализ дает общую характеристику воды и производится в полустационарных или стационарных условиях. При этом можно контролировать анализ по сухому остатку с вычислением суммы К⁺ + Nа⁺ по разности.

В отдельных случаях ( главным образом для подземных вод ) может потребоваться подробный анализ с дополнительным определением Nа⁺ , К⁺ , Мn²⁺ , Fе₂ О₃ + АI₂ O₃ , SiO₂ , агрессивной СО₂ , Н₂ S. Этот вид анализа позволяет произвести общий контроль определений не только по сухому остатку, но и по суммам мг – экв анионов и катионов.

Наиболее распространенными формами выражения концентрации химических веществ являются объемная ( мг / л ) и нормальная ( мг – экв /л ) ; в более редких случаях концентрацию выражают в весовой ( мг / кг ) и молярной ( г – мол / л ) форме. В любом случае результаты анализа могут быть представлены в виде солей ( NаСl, Са SO₄ и т.д. ), окислов ( Nа₂ О, СаО и т.д.), ангидридов (SO₃ , N₂ O₅ и т. д.) или в ионной форме. Последняя форма наиболее полно отражает действительное состояние веществ, растворенных в воде, их диссоциацию, облегчает и ускоряет проверку анализа, и потому в настоящее время является общепринятой. Следует, однако, иметь в виду, что при этой форме выражения неионизированные или очень мало ионизированные соединения (чаще всего трехвалентного железа, алюминия, кремния) обозначаются в виде соответствующих окислов ( Fe₂ O₃ , Аl₂ O₃ , Si0₂ ), а растворенные неионизированные газы – всегда их формулами ( СО₂ , Н₂ S, О₂ ).

При пересчете концентраций, выраженных в солевой или окисно – ангидридной форме, в ионную форму содержание соли, окисла или ангидрида умножают на отношение молекулярных весов данного иона и соответствующего ему соединения. Например, содержание Са²⁺ в исследуемой воде при окисной форме выражения анализа, т.е через СаО, оказалось равным [Са] = 100 мг / л. Молекулярные веса: Са = 40,08, СаО = 56,08. 40,08

Следовательно: [Cа²⁺ ] = = 71,5 мг / л.

В таблице 1 в качестве примера приведен химический анализ воды с определениями, выраженными в ионной и окисло – ангидридной формах записи.

Форма выражения химического состава воды.

Таблица 1.

Σа – сумма мг – экв анионов ;

Σ_К ^ОПР – сумма мг – экв катионов, включенных в анализ.

Сумму щелочных ионов К⁺ + Nа⁺ , выраженную в мг – экв/л, пересчитывают в мг /л по эквивалентному весу Nа⁺ , равному 23, и вводят в формулу ( 2 ). Такой пересчет приводит к сравнительно небольшой ошибке, обычно не превышающей 1,6 % суммы всех составных частей общего солесодержания ( содержание К⁺ + Nа⁺ в общей сумме ионов, так же как и К в сумме К⁺ + Nа⁺ , составляет не более 20 % ).

Кроме общего контроля анализа по сухому остатку следует сопоставить результаты некоторых отдельных определений.

1) Содержание в воде СО₃ ^-2 , НСО₃ ^- и свободной СО₂ сопоставляют с величиной рН. Зависимость между этими величинами применительно к открытым источникам, не содержащим СО₃ ^-2 , с температурой природной воды 22С, определяют из формулы рН = 6,37 – lgCco ₂ + lgC нсо₃ ^- + lgf ₍₁₎ , ( 4 ).

где Ссо₂ – концентрация свободной углекислоты в мг / л ;

Снсо₃ – концентрация НСО₃ ^- в мг /л ;

f₍₁₎ – коэффициент активности НСО₃ ^- .

Использование номограммы ( рис 1.2, существенно облегчает проверку определения СО₂ , НСО₃ ^- и рН. Например, по таблице 1 при [CO₂ ] = 22 мг /л щелочность определяемая концентрацией НСО₃ , равна 2 мг /л ; для этих значений по номограмме ( при t = 20С ) имеем, что рН такой воды должно быть равно 6,9. Прямое определение показало, что рН = 7. Таким образом, отклонение составляет 0,1. Допустимая разница не должна превышать 0,2. Следовательно, аналитические определения СО₂ , НСО₃ и рН проведены правильно.

Если в воде кроме НСО₃ ^- и СО₂ находятся анионы других слабых кислот ( НSiO₃ ^- , НS^- , Н₂ РО₄ ^- , органических ) или анионы СО₃ , а также при наличии только СО₂ ( тогда рН <4 ), изложенная методика неприемлема.

2) Если в результате анализа обнаружена высокая окисляемость воды, то нужно проверить, не связано ли это с повышенным содержанием легкоокисляющихся закисного железа или сероводорода. Наличие сероводорода требует дополнительного количественного определения Н₂ S.

Высокая окисляемость при повышенном содержании Сl^- и при наличии NН₂ ^- и NН₄ ⁺ , сопровождаемая бактериальным загрязнением, определенно говорит о санитарной недоброкачественности воды, связанной с бытовыми стоками.

Например, сопоставление окисляемости воды в анализе из таблицы 1 с содержанием Сl^- , NО₂ ^- и NН₄ ⁺ говорит о благополучном санитарном состоянии воды: нормальные концентрации Сl^- , SO₄ ^2- , сочетаются с отсутствием ионов азотистой кислоты и аммиака. Если бы окисляемость была повышенной ( например, 50 – 100 мг /л О₂ ), то при тех же показателях химического анализа можно было бы судить о вероятно высокой цветности воды за счет содержания в ней органических гуминовых кислот или же ( применительно к подземным водам ) о возможном наличии сероводорода.

3) При отдельном определении общей жесткости воды дополнение следует сопоставить ее величину, полученную экспериментально, с суммой Са²⁺ + Мg²⁺ . Так же нужно сопоставить значения карбонатной и устранимой жесткостей, если последняя дается в анализе. Устранимая жесткость, как правило, меньше карбонатной ( численно равной содержанию НСО₃ ^- ) на 0,3 – 0,6 мг – экв / л, а при высокой степени минерализации воды – и более.

Если в распоряжении проектировщика имеется полный анализ воды с определением содержания всех ионов, включая К⁺ и Nа⁺ , то основной проверкой правильности анализа является сопоставление сумм мг – экв катионов и анионов ; при этом

( 5 )

2.3 Использование анализов при проектировании.

Анализы физических, химических и бактериальных свойств воды используются при проектировании водопроводных сооружений для выявления лучшего с санитарной точки зрения места водозабора. Для определения характера обработки воды и выполнения предъявляемых к ней требований. Данные анализов, кроме того позволяют рассчитать ориентировочные дозы реагентов, необходимых для обработки воды по проектируемой технологической схеме. Последняя возможность особенно важна при отсутствии технологических анализов, которых проектировщики часто не имеют.

Сравнение химического и бактериального анализов воды с требованиями ГОСТ 2761 – 96 позволяет решить вопрос о возможности использования избираемого источника для хозяйственно – питьевого водоснабжения, следует однако, иметь ввиду, что превышение предельного содержания показателей, приведенных в ГОСТе, не исключает возможности использования источника в поставленных целях, но ставит перед проектировщиком дополнительные задачи по определению мер улучшения свойств воды. Эти меры в каждом случае должны согласовываться с органами Государственной санитарной инспекции.

Окончательное решение о методах обработки принимается на основе сравнения физико – химических и бактериальных свойств воды с требованиями ГОСТ 2874 – 96, а также в зависимости от расхода обрабатываемой воды и местных условий.

Следует заметить, что для выявления необходимых методов обработки воды используются не все показатели, характеризующие источник водоснабжения. Некоторые из них ( NО₂ ^- , NН₄ ⁺ , NО₃ ^- , окисляемость )были использованы раньше для предварительной оценки санитарного состояния источника, а НСО₃ ^- , СО₃ ^2- , СО₂ , рН – для проверки анализа по сухому остатку и значению рН. Кроме того, показатели НСО₃ , рН, а также окисляемость и температура используются для решения частных вопросов проектирования водоочистных сооружений.

Содержание НСО₃ ^- для подавляющего большинства природных вод ( особенно в открытых водоемах ) при практическом отсутствии в них ионов СО₃ ^2- и ОН^- отождествляется со щелочностью воды ( мг – экв /л ) , т.е. концентрацией веществ, способных нейтрализовать кислоты. Контроль щелочности параллельно с контролем содержания СО₂ и рН на последовательных этапах обработки воды позволяет при проектировании сооружений выявить необходимость подщелачивания и подкисления воды. Это обеспечивает наиболее выгодные условия прохождения проектируемых технологических процессов и позволяет ориентировочно определить дозы реагентов, необходимые для создания этих условий. Концентрация НСО₃ ^- , помимо этого, численно определяет карбонатную жестокость воды.

При повышенной окисляемости воду нужно хлорировать перед введением раствора коагулянта для окисления и разрушения органических веществ, тормозящих процесс коагуляции. Температура воды является фактором, определяющим (наряду с характером загрязнений ) выбор коагулянта.

2.4. Технологический анализ.

Физико – химический и бактериальный анализы, как это было показано выше, дают основу для выявления необходимых методов обработки воды и содержат показатели, позволяющие решить некоторые задачи технологического характера. Однако для большей точности проектирование технологических схем обработки воды и расчет водоочистных устройств должны проводиться при помощи технологического анализа. Он позволяет выявить наиболее целесообразные методы обработки воды для осуществления намеченного процесса, определить оптимальные дозы реагентов, последовательность их введения, а также ряд других расчетных параметров.

Технологические свойства воды рекомендуется исследовать по ГОСТ 2919 – 85, который предусматривает определение коагулируемости, обесцвечиваемости, осаждаемости взвеси и других показателей. Однако ГОСТ 2919 – 85 не содержит методов, с помощью которых можно было бы выбрать параметры фильтрующих загрузок фильтров и контактных осветлителей для заданной скорости фильтрования и качеств исходной воды. Также отсутствуют показатели, позволяющие решить вопрос о выборе расчетной скорости движения воды в осветлителях, высоте зоны взвешенного фильтра и ряде других параметров, знание которых могло бы повысить надежность расчета сооружений.

В отношении осветлителей такое положение в известной мере исправляется разработанной ВНИИ Водгео методикой определения эталонной концентрации взвеси (при скорости восходящего потока 1,8 м /ч ), позволяющей, в частности, обоснованно подойти к выбору расчетной скорости и коэффициенту распределения воды в осветлителе.

Для выбора расчетных параметров фильтров и контактных осветлителей может быть применен метод моделирования процесса фильтрации суспензий через зернистые слои.

2.5. Выбор технологической схемы обработки воды

Выбор метода обработки воды. основывается на сравнении показателей качества исходной воды с требованиями потребителя.

Основными методами осветления и обесцвечивания воды на очистных сооружениях городских водопроводов являются отстаивание фильтрование с предварительной химической обработкой коагулянтами, известью, хлором и другими реагентами. Безреагентные методы (например, осаждение некоагулированной взвеси ) могут быть применены в качестве вспомогательных мер для облегчения работы основных сооружений. Устройства для простого отстаивания (искусственные водоемы, ковши и т.п. ) следует рассматривать как гидротехнические или водоприемные сооружения, предназначенные для выполнения частной задачи – удержания грубой взвеси. Вспомогательным следует считать и метод процеживания воды.

Технологические схемы очистных станций городских водопроводов для осветления и обесцвечивания по характеру движения воды через сооружения относятся к самотечным. Эти схемы позволяют создавать крупные установки (отстойники, фильтры ) с ограждающими конструкциями из монолитного или сборного железобетона, что было бы практически невозможно при напорных схемах.

В зависимости от качества исходной воды основным технологическим процессом может быть только фильтрование воды или отстаивание с последующим фильтрованием. О возможности безреагентного предварительного осаждения грубой извести было сказано выше.

Для осуществления основных технологических процессов могут быть использованы вертикальные или горизонтальные отстойники, осветлители со взвешенным осадком, а для фильтрования – контактные осветлители или фильтры с различными видами фильтрующих загрузок. Чтобы обеспечить качественное проведение основных технологических процессов, используют смесители, камеры хлопьеобразования, входные камеры с грубыми ситами, микрофильтры.

Для химической обработки воды коагулянты, известь, соду, хлор или его соединения, а для интенсификации основных процессов – кислоты, неорганические и органические флокулянты.

Дезинфекция воды может быть достигнута введением хлора или его производных, бактерицидным облучением, озонированием.

При проектировании технологической схемы решается важнейшая задача: выбор оптимального состава основных и вспомогательных сооружений. Ее сложность заключается в том, что получение воды питьевого качества может быть достигнуто при различном составе элементов очистной станции.

В настоящее время рекомендуется применять следующие технологические схемы для получения питьевой воды на городских водопроводах.

Схема 1. Одноступенчатая обработка воды. Основные устройства для осветления и обесцвечивания – контактные осветлители. Сооружения, обеспечивающие эффективное проведение основного технологического процесса: входные камеры с грубыми сетками, смеситель, реагентное хозяйство для заготовки растворов коагулянта, устройства для осуществления двойного хлорирования ( или озонирования ) воды.

Схема пригодна для станций любой производительности при условии, что содержание взвешенных в воде после ее химической обработки не превышает 150 мг / л, а цветность – 150 град платиново – кобальтовой шкалы.

При наличии в исходной воде планктона в схему перед смесителем могут быть введены микрофильтры.

Схема2 Двухступенчатая обработка воды. Основные сооружения, в которых последовательно осуществляются процессы осаждения взвеси и фильтрования – горизонтальные отстойники и скорые фильтры. Устройства для обеспечения основных технологических процессов: смесители, камеры хлопьеобразования, установки для заготовки растворов коагулянтов, извести, для производства двойного хлорирования ( или озонирования ) воды.

Схема экономически целесообразна для станции с расчетной производительностью более 50 000 м³ / сутки и может быть применена в диапазоне от 30 до 50 тыс. м³ / сутки. В последнем случае на выбор между горизонтальными отстойниками и осветлителями, как правило, решающее влияние оказывают местные условия строительства и эксплуатации сооружений (климатические условия, рельеф площадки строительства, глубин залегания грунтовых вод, наличие квалифицированных кадров в периоды строительства и эксплуатации, снабжение станции реагентами и пр. ).

Содержание взвешенных веществ и цветность воды, поступающей на обработку, ограничиваются возможностями накопления осадка в горизонтальных отстойниках. Если будет установлено, что накопление осадка за расчётный период приведет к нарушению нормального режима работы отстойника (к чрезмерному повышению горизонтальной скорости ), то необходимо предусмотреть предварительное безреагентное осаждение крупной взвеси в устройствах типа ковшей или в специальных открытых водоемах, заполняемых в периоды наибольшей мутности воды.

При механизированном удалении осадка из отстойников необходимость в предварительном отстаивании воды, как правило, отпадает, так как период накопления осадка может быть сокращен до 1 суток.

Для дополнительного улучшения и интенсификации работы основных сооружений могут применяться микрофильтры (при значительном содержании планктона ), обработка воды флокулянтами и подкисление (для создания оптимальных условий снятия цветности коагулированием ).

Схема 3 Двухступенчатая обработка воды. Для удержания и осаждения взвеси и фильтровании в схеме применены осветлители со взвешенным осадком и скорые фильтры. Для вспомогательных процессов используются смесители, воздухоотделители, устройства для заготовки растворов коагулянта, извести, производства двойного хлорирования или озонирования.

Экономическая целесообразность схемы проявляется на очистных станциях производительностью от 2000 до 30 000 м³ / сутки.

В отношении свойств воды, поступающей на обработку, применение схемы ограничивается содержанием взвешенных веществ (после введения реагентов ) от 100 до 2500 мг / л и цветность до 150 град. Дополнительными ограничениями являются круглосуточная работа станции, постоянная подача воды ( изменение расхода в ту или другую сторону не должно превышать в течение часа 15 % ) и повышенная стабильность температуры воды, поступающей на осветлители ( увеличение температуры воды в течение часа более чем на 1 не допускается).

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 ).

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

Гидравлическая крупность взвешенных веществ природных вод.

Таблица 3.2

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⁺ +3SO₄ ^2-

далее Al^{3 +} +3Н₂ О ----- 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

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 7Н₂ О ( 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

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

К_р 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

v _з.о иv ^/ _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 v _{отб .} = 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;

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

t_y =6 – 12 часов при М₀ <400мг/л.

δ_СР – 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

Средние концентрации осадка в осадкоуплотнителях. Таблица 3.3.2

Основная формула для определения расчетных расходов осветлителя:

в м³ /сут ( 3.3.7 )

где :

Т – время работы осветлителей в течение суток;

Т = 24 ч

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

n – число продувок одного осветлителя в течение суток ;

К_n – коэффициент, определяющий степень снижения выдачи воды продуваемым осветлителем; расчетное значение К_n следует принимать равным единице. Это условие означает, что расчетный продувочный расход Q_пр 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 ;

q_пр – продувочный расход в м³ /ч ; при Rн = 1 Q_пр = 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 : v _{з .о} = 1 мм / сек ; Кр = 0,8 ; М_о = 500 мг / л ; t_у = 4 ч ;

Таблица 3.3.4

Вспомогательная таблица к выбору типа осветлителя

где : N – число осветлителей

F₁ – площадь одного осветлителя

А – расчетный линейный параметр

В – длина или диаметр осветлителя

С – ширина по верху зоны отделения осадка

3.4 Расчет осветлителей для проектируемой станции водоочистки

Предположим, что проектируемые осветлители должны выдавать осветленную воду с m= 10 мг / л на группу фильтров, работающих в режиме, который допускает изменение скорости фильтрования при отключении одного из фильтров на промывку или ремонт. Расчетная подача воды на фильтры Q_о = 12 000 м³ / сутки (летний период ). Зимний расход на объекте водопотребления Q_з = 10 000 м³ / сутки.

Расчетные показатели, характеризующие качества исходной воды для летнего периода: М = 300 мг / л, Ц = 40 град; для зимнего периода: сернокислого неочищенного алюминия – 60 мг / л в расчете на безводный продукт; извести – 45 мг / л в расчете на СаО.

В соответствии с высотной схемой полная глубина осветлителей не должна превышать 4,5 м. Размеры помещения, в котором разместятся осветлители вместе с фильтрами, должны быть не более 24 60 м. Число фильтров – 7, их ширина ( в осях ) – 5,5 м , общая длина – 34 м.

Расчетные расходы. Прикидочные расчеты по формулам 3.3.1 и 3.3.2 при расчетных значениях v _з.о = 1 мм / сек, Kр = 0,75, v _з.о = 0,8 мм / сек, Кр = 0,8, принятых по таблице 3.3.1 позволили установить, что для расчета зон осветления исходным должен быть зимний расход, который с учетом собственных потребностей фильтров в этот период, оцениваемых в 5%, равен Q_ф ’ = 10000 м³ / сутки.

Исходным расходом для расчета осадкоуплотнителя и всех элементов осветлителя является наибольший (летний ) расход Q_ф = 10 500 м³ / сутки.

Расчетные расходы ( пока приближенно ) определяют по формулам 3.3.7 при t_пр = 0,3 ч и n = 4 ( с последующей проверкой при полученном на основании дальнейших расчетов t_пр ).

Расчетный расход для зон осветления

Расчетный расход для осадкоуплотнителей

Q₀ ^ЗУ = 1,05 ∙12000=12600 м³ /сутки

Определим далее: число, тип и основные размеры осветителей. Из таблицы 3.3.4 (справочник : Проектирование водопроводных очистных сооружений. Автор Н.Б Серебряков, М : стройиздат 1984 г ) следует что при расчетном расходе около 10 000 м³ / сут и при использовании осветлителей с поддоными осадкоуплотнителями необходимая глубина осветлителей составит около 8 м при допустимой по высотной схеме не более 4,5. Поэтому на станции должны быть применены осветлители с центральным осадкоуплотнителем типа (рис. 3.3.1 – 3.3.2).

Общая площадь зон осветления определяется по формулам 3.3.1 и 3.3.2 при значениях Кр и v _з.о , принимаемых по таблице 3.3.1 для содержания взвеси до 100 мг /л в зимний период : v _з.о = 0,8 мм / сек, Кр = 0,75.

F_з.о = = 114 м³

Общая площадь зон отделения осадка по расходу Q_о ^з.у = 10590 м³ / сутки определяется по формуле при значениях v _з.о = 1 мм / сек, Кр = 0,7 , принимаемых для М_о = 100 – 400 мг / л .

Полная площадь F = 114 + 50 = 164 м²

Число осветлителей должно быть не менее четырёх.

Тогда площадь одного осветлителя

F ₁ = 164 / 4 = 40 м²

При F ₁ = 40м² основные размеры равны : диаметр осветлителя 8 м, центрального осадкоуплотнителя D_з.отд = 5м, А = 1,5м, Нмин = 3,9м. При однорядном расположении осветлителей параллельно фильтрам необходимая длина зала для их размещения не будет превышать 60м, а требуемый стандартный пролет здания – 24 м;

Необходимая длина зала для размещения осветлителей и фильтров может быть ограничена стандартной величиной 54 или 60м.

Из сравнения ясно определилась техническая возможность и экономическая целесообразность применения на станции осветлителей V типа.

Высотные размеры осветлителя в м принимаются по рекомендациям СниП, изложенными выше :

глубина зоны осветления – 1,5

расстояние от нижней границы зоны осветления до сечения, где вертикальные стенки переходят в наклонные – 1,5

глубина сужающей части при значении α₁ = 50

полная глубина – 4,1

( проверка по формуле Н >1,9 ∙ 1,85 = 3,5м )

высота бортов – 0,5

Наибольшая концентрация взвеси в воде, поступающей на осветлитель, определяется по формуле

М_о = М + К_к Д_к + 0,25ц + М_из

где М – расчетное содержание взвешенных веществ в исходной воде

Д_к –расчетная доза коагулянта по безводному продукту мг/л

К_к – переводной коэффициент : для Аl₂ (S0₄ )₃ он равен 0,55, для FеСl₃ и FеSO₄ – 0,8

Ц – расчетная цветность исходной воды в град

М_из – колличество нерастворимых веществ. вводимых с Са(ОН)₂ – мг/л

Тогда М_о = 300 + 1 60 + 0,25 20 + 45 = 410 мг/л

Принимая расчетное время уплотнения осадка t_у = 6ч, а среднюю концентрацию осадка при 6 часовом уплотнении δ_ср = 27000 мг/л определяем необходимый обьем осадкоуплотнителя по формуле

Объем осадкоуплотнителя, полученный конструктивно, значительно больше необходимого по расчету, что дает возможность в процессе эксплуатации осветлителей увеличить в случае необходимости межпродувочной период.

Расчетное время продувки осадкоуплотнителя определяется по формуле 3.3.8

Добавляя время на подготовку продувки и ввод осветлителя в работу после продувки, принимаем t_пр = 0,3ч.

Глава 4. Осветление воды фильтрованием.

4.1 Основные положения процесса фильтрования.

Полное или частичное удаление из воды взвешенных веществ фильтрованием осуществляется в открытых или напорных фильтрах, состоящих из корпуса, фильтрующего слоя, дренажной или распределительной системы, системы подачи на фильтр осветляемой воды и отвода промывной воды. Дренажная система обычно служит также для распределения по площади фильтра промывной воды.

Интенсивность процесса фильтрования характеризуется скоростью фильтрования, представляющей собой частное от деления расходы фильтруемой воды на площадь фильтрующего слоя. Скорость фильтрования выражают в м/ч , т.е. количеством воды в м³ , фильтруемой через 1 м³ площади фильтрующего слоя в течение 1 ч.

Фильтрование воды через фильтрующий слой происходит под действием разности давлений на выходе в фильтр и на выходе из него. Разность давлений для открытого фильтра равна разности отметок поверхности воды в фильтре и пьезометрического напора в трубе, отводящей фильтрат.

Разность давлений воды до и после фильтрующего слоя называется потерей напора в фильтрующем слое. Потеря напора в начальный момент работы фильтра, называемая начальной потерей напора, равна потере напора при фильтровании чистой, не содержащей взвешенных веществ воды, через чистый фильтрующий слой. Начальная потеря напора в фильтрующем слое зависит от скорости фильтрования воды, ее вязкости, размера и формы пор фильтрующего слоя, его толщины.

По мере загрязнения фильтрующего слоя задерживаемыми из воды взвешенными веществами потеря напора возрастает до некоторой величины, характеризующей сопротивление предельно загрязненного фильтрующего слоя.

Фильтрующий слой может состоять из не связанных друг с другом зерен фильтрующего материала либо представлять собой жесткий каркас в виде сетки, ткани или пористой керамики.

По достижении предельной потери напора или при ухудшении качества фильтрата фильтрующий слой нужно очистить от задержанных им загрязнений промывкой или другим способом.

По характеру фильтрующего слоя фильтры разделяются на:

1. Зернистые, в которых фильтрующий слой состоит из зерен песка, дробленого кварца, антрацита, мрамора, магнетита и др.;

2. Сетчатые, в которых фильтрующим слоем служит сетка с отверстиями, достаточно малыми для задержания из воды взвеси;

3. Тканевые, в которых фильтрующим слоем служит ткань (хлопчатобумажная, льняная, сукно, капроновая или стеклоткань);

4. Намывные, в которых фильтрующий слой образуется из вводимых в воду фильтрующих порошков, откладывающихся в виде тонкого слоя на каркасе фильтра; в качестве фильтрующих порошков применяют диатомит, древесную муку, асбестовую крошку и др., а каркасом могут служить пористая керамика, металлическая сетка, синтетическая ткань.

Наиболее широкое распространение в промышленном и коммунальном водоснабжении получили зернистые фильтры. Сетчатые фильтры применяют главным образом для грубой очистки воды, микросетчатые – для удаления из воды планктона.

Тканевые фильтры находят применение в полевом водоснабжении; намывные – при очистке маломутных вод для небольших предприятий или поселков и для очистки воды плавательных бассейнов.

Зернистые фильтры по скорости фильтрования разделяют на медленные (скорость фильтрования менее 0,5 м/ч ), скорые (скорость фильтрования 2-15 м/ч ) и сверхскоростные (скорость фильтрования более 25 м/ч ).

Скорые фильтры могут быть напорными и открытыми. Медленные фильтры выполняют открытыми, сверхскоростные фильтры – напорными.

По крупности зерен фильтрующего слоя зернистые фильтры разделяют на мелкозернистые (медленные фильтры) с размером зерен верхнего слоя песка менее 0,4мм , среднезернистые (размер зерен верхнего слоя песка 0,4-0,8мм ) и крупнозернистые (размер зерен верхнего слоя песка более 0,8мм ), обычно применяемые для частичного осветления воды.

Фильтрующий слой скорых фильтров может состоять из однородной по размеру и удельному весу зерен загрузки (обычные скорые фильтры) и неоднородной загрузки (например, двухслойные фильтры, в которых нижний слой – кварцевый песок, а верхний слой – дробленный антрацит).

В медленных фильтрах фильтруемая вода обычно движется через фильтрующий слой сверху вниз. В скорых фильтрах направление движения фильтруемой воды через фильтрующий слой может быть различным. В обычных и двухслойных фильтрах фильтруемая вода движется сверху вниз; в контактных осветителях – снизу вверх; в двухпоточных фильтрах АКХ – снизу вверх и сверху вниз. В последних фильтрах отводится из фильтра через дренажную систему, расположенную в фильтрующем слое.

По мере загрязнения фильтрующего слоя задерживаемыми из воды взвешенными веществами потеря напора в нем будет возрастать, а скорость фильтрования при неизменном напоре – снижаться.

Фильтры могут работать с переменной скоростью фильтрования (большей в начале цикла и меньшей в конце) или с постоянной скоростью фильтрования. Постоянство скорости фильтрования обеспечивается специальными устройствами – регуляторами скорости фильтрования.

Через некоторый период времени от начала работы фильтра потеря напора в фильтрующем слое увеличится настолько, что скорость фильтрования станет ниже расчетной и производительность фильтра снизится.

Для восстановления пропускной способности фильтра его фильтрующий слой должен быть очищен от задержанных из воды загрязнений. В медленных фильтрах это достигается обычно удалением верхнего слоя загрязненного песка с последующей его промывкой; в скорых фильтрах промывка фильтрующего слоя производится непосредственно в самих фильтрах.

Продолжительность работы фильтра между чистками или промывками (включая время на промывку) называется продолжительностью фильтроцикла. Она зависит от характера и количества содержащихся в воде взвешенных веществ, от скорости фильтрования, крупности и пористости фильтрующей загрузки. В скорых фильтрах для промывки фильтрующего слоя через него пропускают осветленную воду снизу вверх с интенсивностью, достаточно для взвешивания фильтрующей загрузки в восходящем потоке промывной воды.

4.2 Фильтрующие материалы для зернистых фильтров.

В качестве фильтрующих материалов для зернистых фильтров в настоящее время применяют кварцевый речной или карьерный песок, дробленые кварц и антрацит, мрамор, магнетит, керамическую крошку, керамзит.

Крупность зерен фильтрующего материала и их однородность характеризуются данными ситового анализа, который позволяет определить следующие показатели:

1. 10% диаметр (d₁₀ ) фильтрующего материала, т.е. диаметр шара, равновеликого зерну фильтрующего материала, мельче которого в данном материале имеется 10% зерен по весу;

2. 50% диаметр (d₅₀ ), т.е. диаметр шара, равновеликого зерну фильтрующего материала мельче которого имеется 50% зерен по весу (d_ср );

3. коэффициент неоднородности зерен фильтрующего материала, равный отношению 80% диаметра фильтрующего материала к 10% диаметру.

Ситовой анализ фильтрующего материала заключается в рассеве высушенного образца средней пробы на калиброванных ситах и определении процента материала, оставшегося на каждом сите.

Для загрузки фильтров должны применяться по возможности хорошо промытые однородные пески с коэффициентом неоднородности во всех случаях не более 2,2 (желательно не более 1,75).

Антрацитовую крошку для загрузки фильтров изготовляют из антрацита марок АП, АК и АС-мытое. Антрацит должен иметь удельный вес в пределах 1,6-1,7, насыпной вес 0,7-0,9т /м³ и при дроблении превращаться в зерна кубической или близкой к шару формы. Антрацит слоистого строения для загрузки в фильтры непригоден. Зольность антрацита должна быть не выше 5%, а содержание серы в нем должно быть не более 3%.

4.3 Поддерживающие слои.

Поддерживающие слои размещают между фильтрующим слоем и дренажем фильтра. Назначение поддерживающих слоев заключается в предотвращении выноса фильтрующего материала из фильтра вместе с фильтратом. Кроме того, поддерживающие слои служат для улучшения распределения промывной воды по площади фильтрата.

Гравий или щебень, используемые в качестве поддерживающих слоев, должны быть устойчивы против измельчения и истирания, химические стойки, не должны содержать больше 10% частиц известняка.

Поддерживающие слои должны состоять по возможности из однородных частиц. В каждом слое размер наиболее крупных зерен не должен более чем в 2 раза превышать размер самых мелких зерен этого же слоя (например, 2-4, 4-8, 8-16, 16-32мм ).

Размер самых мелких зерен верхнего поддерживающего слоя, на который укладывается фильтрующий слой, должен быть в 2 раза больше, чем размер самых крупных зерен фильтрующего слоя. Толщину поддерживающих слоев в фильтрах, оборудованных дренажными системами большого сопротивления, принимают в соответствии с приведенными ниже данными.

Для предотвращения сдвига поддерживающих гравийных слоев может использоваться укладка поверх поддерживающих слоев плит из беспесчаного макропористого бетона или пригрузка верхнего поддерживающего слоя (2-4мм ) обратным фильтром толщиной 20-25см из крупного (16-32мм ) гравия.

4.4 Скорые фильтры.

Скорые фильтры предназначены для удаления из воды взвешенных и коллоидных веществ, как правило, после укрупнения их коагулированием в прочные агрегаты, задерживаемые зернистой загрузкой.

При фильтровании воды сверху вниз на скорых фильтрах осветление воды достигается в результате двух одновременно протекающих процессов – задержания наиболее крупных частиц взвеси в пленке на поверхности фильтрующего слоя и адгезии (сцепления) или абсорбции скоагулированных более мелких частиц поверхностью зерен фильтрующего слоя.

При оптимальной коагуляции и надлежащем подборе загрузки скорого фильтра его фильтрат обычно содержит не более 1 мг/л взвешенных веществ.

По мере работы фильтра увеличивается количество задержанных им загрязнений – нарастает толщина пленки на поверхности песка, увеличивается количество загрязнений, отложившихся в толще фильтрующей загрузки, и глубина их проникания в песок, возрастает сопротивление фильтра, снижается скорость фильтрования.

Если крупность загрузки и толщина фильтрующего слоя выбраны правильно, то предельно допустимая потеря напора в фильтре наступит практически в тоже время, когда частицы загрязнений начнут проникать через загрузку в фильтрат.

Глубина проникания взвеси в толщу фильтрующего слоя возрастает с увеличением скорости фильтрования и диаметра его зерен. Поскольку скорость возрастания потери напора растет с уменьшением диаметра зерен и увеличением скорости фильтрования, в практике водоподготовки наметилась тенденция к увеличению крупности зерен при одновременном повышении высоты фильтрующего слоя, что позволяет увеличить скорость фильтрования, не допуская увеличения мутности фильтрата.

Мутность фильтрата и продолжительность фильтроцикла зависят не только от мутности поступающей на фильтры воды, дисперсности содержащейся в ней взвеси, скорости фильтрования и размера зерен, но и от прочности хлопьев скоагулированных загрязнений воды.

При содержании в осветляемой воде прочных хлопьев взвеси, например при введении в воду перед фильтрами или отстойниками активированной кремниевой кислоты, полиакоиламида (ПАА) или других флокулянтов,мутность фильтрата в течение всего фильтроцикла остается минимальной, и фильтр выключают на промывку по достижении предельной потери напора. При содержании в воде непрочных хлопьев мутность фильтрата непостоянна в течение фильтроцикла – при достижении потери напора в фильтре некоторой величины, меньшей чем предельная, начинается разрушение задержанных фильтром хлопьев и вынос загрязнений в фильтрат. В этом случае фильтр выключают на промывку не по потери напора, а по проскоку взвеси. Продолжительность фильтроцикла сокращается, увеличивается расход промывной воды.

Введение в воду непосредственно перед фильтрами ПАА или активированной кремниевой кислоты в очень небольших количествах (0,015мг/л ПАА, 0,05мг/л SiO^2- ₃ ) позволяют значительно повысить продолжительность фильтроцикла при одновременном снижении мутности фильтрата. Активированная кремниевая кислота для цветных вод имеет по эффективности и стоимости преимущества перед ПАА.

Когда начинается проскок взвеси в фильтрат или когда величина потери напора становится предельной, производят промывку фильтрующего слоя.

Фильтры могут быть открытыми или напорными.

Открытый безмешалочный скорый фильтр (рис.4.1) представляет собой обычно прямоугольный в плане резервуар. На дне его расположена дренажная система, служащая для отвода фильтрата и распределения промывной воды по площади фильтра при его промывке.

Над дренажем находятся поддерживающие гравийные слои и поверх них фильтрующий слой. Выше фильтрующего слоя устраивают желоба, служащие для отвода из фильтра при его промывке грязной промывной воды. По этим желобам в фильтр подается фильтруемая вода.

Сравнение стоимости строительства и эксплуатации фильтровальных станций равной производительности, но с разным числом фильтров и разными их размерами показало, что для станций малой и средней производительности (до 30 000м³ /сутки ) наиболее экономично принимать четыре фильтра при строительстве станций в одну очередь и шесть фильтров при строительстве станций в две очереди, если четыре фильтра обеспечивают водопотребление первой очереди.

4.5 Напорные скорые фильтры.

Напорные фильтры представляют собой стальные цилиндрические резервуары со сферическими днищами. Они бывают вертикальные и горизонтальные.

Конструкция вертикального фильтра диаметром от 1000 до 3400мм приведена на рис.4.2 и в табл. 5.1. Трубчатая дренажная система изготовляется из обычной стали. На ее штуцера навертывают фарфоровые или пластмассовые щелевые колпачки.

Вертикальные напорные фильтры, выпускаемые в СССР, имеют максимальную площадь фильтрования 9,1м² , что обеспечивает их производительность на водах различного качества от 50 до 90м³ /ч .

Так как по экономическим соображениям желательно иметь на станции от четырех до шести фильтров, вертикальные напорные фильтры следует применять на станциях производительностью не более 300 – 500м³ /ч.

Таблица 4.1

Размеры и веса вертикальных напорных фильтров.

Схема фильтра с эжекторной промывкой фильтрующего слоя показана на рис.4.3. Фильтр имеет коническое дно, в нижней части которого по вертикальной оси фильтра установлен эжектор. Выходная труба эжектора проходит через всю толщу фильтрующего слоя до кромки водосборных желобов, размещенных вдоль наружных стенок фильтра.

Дренажная система фильтра из щелевых труб расположена выше перехода конического дна в цилиндрическую часть фильтра в толще фильтрующей загрузки.

Осветляемая вода поступает в водосборные желоба и через их кромки в фильтр, где она профильтровывается сверху вниз через фильтрующую загрузку до дренажной системы, через которую фильтрат отводится из фильтра.

4.6 Расчетных основных параметров фильтров.

Основными параметрами, определяющими работу фильтра, являются скорость фильтрования, а также гранулометрический состав и толщина слоя фильтрующего материала. Значения этих трех величин связаны между собой и определяются требованиями, приведенными в таблице 4.2

Таблица 4.2

Основные расчетные параметры скорых фильтров

Необходимая площадь фильтров определяется по средней расчетной скорости при нормальном режиме работы установки wр.н, когда фильтры поочередно или попарно отключаются для производства операций, связачных с их промывкой.

При ремонте ( перегрузке ) одного или одновременно двух фильтров ( в зависимости от их числа ) остальные фильтры работают в форсированном режиме при расчетной скорости фильтрации

(4.1)

где v _р.ф – расчетная скорость фильтрации при форсированном режиме;

N- общее число фильтров ;

N₁ – число одновременно ремонтируемых фильтров.

Предельные значения v _р.н и v _р.ф приведены в таблице 4.2 Если при малом числе фильтров значение v _р.ф определяемое по формуле 4.1 окажется большей нормируемой предельной величины, то соответственно должно быть снижено значение расчетной скорости при нормальном режиме.

С учетом расхода воды на промывку, а также для восполнения сокращенной подачи воды фильтрами за время простоя на промывке и в течение сброса первого фильтрата расчетную площадь фильтров в м² определяют из выражения

( 4.2 )

где Q – полезная производительность станции в м³ / сутки, определяемая максимальной суточной подачей воды потребителям ;

T – продолжительность в ч работы станции в течение суток ( обычно Т = 24 ) ;

n – расчетное число промывок каждого фильтра за сутки при нормальном режиме работы станции ( обычно n = 2 – 3 ) ;

w – интенсивность промывки в л/сек м² ( таблица 4.3 )

t₁ – продолжительность промывки в ч ;

t₂ – время простоя фильтров в связи с промывкой , t₂ = 0,33 – 0,5

t₃ – продолжительность сброса первого фильтрата t₃ = 0,17 ч.

Таблица 4.3

Основные параметры промывки

однопоточных фильтров t2 = 0,33 , для двухпоточных – 0,5 ч ;

Расчетная производительность фильтров в м3/сутки при нормальном режиме их работы определяется по формуле.

Q_ф = ТFv _р.н ( 4.3 )

Во время пополнения пожарного запаса станция работает при нормальном режиме, но с повышенной скоростью фильтрации : v _пож < v _р.ф. Добавочный расход в м³ /ч который должны пропустить фильтры, определяют по формуле

q _пож = W_пож / t_пож ( 4.4 )

где W_пож – сохраняемый в резервуарах пожарный запас воды в м³ ;

t_пож – продолжительность пополнения пожарного запаса, принимаемая в соответствии с требованиями СниП равной 24 – 36 ч в зависимости от характера объекта водопотребления.

Проверка достаточности площади фильтров на работу в период пополнения пожарного запаса производится по формуле

( 4.5 )

Число фильтров . При назначении числа фильтров следует обеспечить экономичность решения и надежность работы фильтровальной установки.

По экономическим соображениям количество фильтров на станциях ориентировочно определяется из выражения

( 4.6 )

Число фильтров следует уточнять с учетом соотношения производительностей первой и второй очередей строительства станции. На любом этапе эксплуатации должно быть не менее двух фильтров прм производительности станции до 2000 м3/сутки и не менее трех – при большей производительности. Это условие обеспечивает надежность работы установки для малых и средних станций ; оно обычно оказывается решающим и при определении общего числа фильтров для полного развития станции. так как размеры фильтров на обоих этапах строительства должны быть одинаковыми.

Надежность работы установки обеспечивается не только определенным минимумом параллельно работающих фильтров, но и созданием условий для качественного функционирования таких ответственных элементов скорых фильтров, как распределительная, сборная системы и т.п.

Поэтому максимальная площадь отдельных фильтров обычно не превышает 100 – 120 м² , а фильтры площадью более 30 – 40 м² выполняются с центральным каналом ( шириной 0,7 – 0,8 м), разделяющим фильтр на две равные части.

Высотное решение фильтров . Высота фильтра Нф складывается из высот слоев загрузки, слоя воды над загрузкой и высоты бортов.

Высота поддерживающего слоя ( Lгр ), размещаемого на дне фильтра и состоящего из слоев гравия или щебня, определяется суммой высот его слоев из зерен различной крупности, а именно ( считая сверху ) : слоя зерен крупностью 2 – 4 мм – 50 мм ; слоев 4 – 8 мм и 8 – 16 мм по 100 мм ; слоя с крупностью зерен 16 – 32 мм – высотой на 100 мм выше отверстий распределительной системы, но не ниже верха распределительных труб.

Высота фильтрующего слоя ( Lо ) принимается по таблице 4.2 или на основании расчетов фильтрующей загрузки.

Слой воды над загрузкой фильтра принимается из условия предупреждения воздушного засорения фильтра ; обычно его высота L_в > 2 м.

Высота бортов при стабильном расчетном горизонте воды ( как правило, когда число фильтров N > 6 ) должна быть равна Н_б = 0,3 – 0,5м.

При работе фильтров с постоянной скоростью фильтрования высота бортов увеличивается для периодического приема части поступающей на станцию воды во время промывки одного из фильтров.

Необходимая дополнительная высота бортов в м определяется из условия

( 4.7 )

где W _нак – объем воды в м³ , накапливаемый за время промывки одного фильтра

W _нак = F1v _рн t₂ ;

F₁ – расчетная площадь одного фильтра в м² .

Расчет параметров и числа фильтров для проектируемой водоочистной станции :

а) необходимая площадь фильтров

Расчетная производительность фильтров определяем по формуле 4.3

Q_ф = 24∙ 70 ∙ 6 = 10 080 м³ / сут

Число фильтров определяем по формуле 4.6

= 4 штуки

Глава 5

Физико-химические методы обеззараживания воды.

5.1 Общие положения

Тепловой способ. Кипячение воды в течение 12-20 мин убивает все неспорообразующие микроорганизмы. Для уничтожения спор применяют нагрев воды до 120⁰ С под давлением или дробную стерилизацию воды – ее кипятят в течение 15 мин , охлаждают до 35⁰ С, выдерживают при этой температуре 2ч для прорастания спор и снова нагревают до кипения.

Действие ультрафиолетового излучения. Вода, длительное время находящаяся на солнечном свету, освобождается от патогенных микроорганизмов. Облучение воды ультрафиолетовыми лучами хорошо обеззараживает воду, свободную от взвешенных и коллоидных примесей.

Действие ионизирующего излучения. По литературным данным, облучение воды рентгеновскими лучами, γ- и β- излучателями обеззараживает воду. Эти методы обеззараживания воды пока не нашли практического применения.

Действие ультразвуковых колебаний убивает большинство микроорганизмов. Интенсивность ультразвукового излучения должна быть не менее 2 вт/см² при продолжительности озвучивания не менее 5 мин.

Обеззараживание воды фильтрованием. Большинство патогенных микроорганизмов (за исключением вирусов) имеет размер более 1-2 мк. Поэтому фильтрованием воды через фильтры с размерами пор менее 1 мк можно освободить ее от микроорганизмов. Метод этот пригоден только для обеззараживания подземных или хорошо осветленных вод с содержанием взвешенных веществ менее 2 мг/л, так как при большем содержании взвеси последняя быстро закупоривает поры фильтра, что приводит к резкому снижению его пропускной способности.

В качестве обеззараживающих используют так называемые ультрафильтры из микропористой керамики или фарфора (фильтры Беркефельда, Шамберлена и др.), фильтры с асбестоцеллюлозными фильтрующими пластинами (фильтры Зейца), мембранные ультрафильтры и др.

Ниже рассматриваются методы обеззараживания, получившие наибольшее распространение в практике очистки воды.

5.2 Обеззараживание воды озоном.

Это наиболее эффективный метод обеззараживания воды. Однако он весьма дорог.

Схема современной озонаторной установки с глубоким осушением воздуха, охлаждением, вымораживанием и поглощением оставшейся влаги абсорбентами показана на рис. 5.1.

Воздух забирается через жалюзийную решетку и проходит через кассетный воздушный фильтр 1. Очищенный от пыли воздух сжимается компрессором 2 и направляется во второй кассетный фильтр 3, в котором очищается от мельчайших капелек масла, попадающих в воздух в компрессоре. По выходе из фильтра часть воздуха направляется в смеситель 4 фильтрованной станции для интенсификации смешивания озона с водой; остальной воздух идет на осушку.

Первый этап осушки воздуха происходит в оросительном холодильнике 5 вследствие конденсации влаги. Компримированный воздух из компрессора имеет температуру 40-50⁰ С. при его расширении и охлаждении в оросительном холодильнике выделяется часть влаги. Вода, орошающая трубки холодильника, по которым движется воздух, отводит выделившееся тепло.

Охлажденный воздух поступает в кожухотрубный холодильник 6, в котором воздух поступает по трубам, охлаждаемым кипящим фреоном. Последний поступает от специальной установки 7. Влага из воздуха осаждается в виде инея на поверхности труб и удаляется при остановке и отогревании холодильников. Затем воздух пропускается через абсорбер 8, где остатки влаги сорбируются силикагелем или активной окисью алюминия. Для предотвращения нагрева за счет тепла, выделяющегося при сорбции воды, сорбент в абсорберах охлаждается водой, протекающей по змеевику, который расположен в слое сорбента.

Регенерацию сорбента осуществляют продувкой его горячим воздухом (200-260⁰ С), подаваемым от электрокалорифера 9.

Обеспыливание осушенного воздуха после адсорберов достигается с помощью тканевых фильтров 10, его окончательное охлаждение – в оросительных холодильниках 11. Осушенный и охлажденный воздух поступает в озонаторы 12, где часть кислорода воздуха под влиянием тихого электрического разряда превращается в озон. Из озонаторов смесь воздуха с озоном поступает в смеситель 4 для смешивания с обрабатываемой водой.

Расход электроэнергии на получение 1 кг озона из кислорода хорошо осушенного воздуха колеблется для озонаторов различных типов в пределах от 13 до 29 квт ч , а при работе ни неосушенном воздухе – от 43 до 57 квт ч.

5.3 Обеззараживание воды с помощью бактерицидного излучения.

Специфичность биологического действия различных по длине волны участков спектра лучистой энергии была установлена А.М. Маклаковым в 1889г. Дальнейшими исследованиями было показано, что высокой бактерицидностью обладает излучение с длиной волны от 2200 до 2800 А⁰ . Этот участок ультрафиолетового спектра называется бактерицидным. Наиболее бактерицидно излучение с длинной волны около 2600 А⁰ ; излучение с длинами волн 2000 и 3100 А⁰ обладает бактерицидностью, уже в 100 раз меньшей.

Отечественной промышленностью выпускаются ртутно-кварцевые бактерицидные лампы высокого давления (типа ПРК и РКС) и бактерицидные аргоно-ртутные лампы низкого давления (типа БУВ), которые используются для обеззараживания воды в практике водоснабжения.

Характеристики некоторых бактерицидных ламп.

Обеззараживание воды бактерицидным излучением может производиться только тогда, когда подлежащая обеззараживанию вода обладает малой цветностью и не содержит коллоидных и взвешенных веществ, поглощающих и рассеивающих ультрафиолетовые лучи.

В установках лоткового типа бактерицидные лампы располагаются над поверхностью воды, протекающей тонким слоем по дну лотка; в установках с погруженными лампами обеззараживаемая вода обтекает бактерицидную лампу, находящуюся в потоке воды (схема бактерицидной напорной установки типа ОВ-1-П с одной лампой – представлена на рис. 5.2).

Расчет установок для обеззараживания воды бактерицидным излучением сводится к определению числа ламп, которые необходимы для создания потока бактерицидного излучения, достаточного для обеззараживания данной воды.

Требуемое количество ламп (камер) п в установке определяют по формуле

п = F_б /F_л ,

где F_б – необходимый для обеззараживания бактерицидный поток в вт;

F_л – расчетный бактерицидный поток, создаваемый одной бактерицидной лампой после 4000-5000 ч работы, в вт .

Необходимый для обеззараживания воды бактерицидный поток Fб вычисляют по формуле.

Fб = QaRlg( Р/Ро ) / 1563,4 NnNо ( Х.7 )

здесь Q – расчетный расход воды в м3/ч ;

a – коэффициент поглощения облучаемой воды в см –1, равный : для бесцветных подземных вод, получаемых из глубоких подземных горизонтов, 0,1 см –1 ; для родниковой, грунтовой, подрусловой и инфильтрационной воды 0,15 см –1 ; для обработанной воды поверхностных источников водоснабжения 0,2 – 0,3 см –1 ;

R – Коэффициент сопротивляемости облучаемых бактерий в мк вт сек / см2, принимаемый равным 2500 ;

Ро – коли индекс воды в единицах на 1 л до облучения;

Р – то же, после облучения, принимаемый согласно ГОСТ 2874 – 54 не более 3;

Nп – коэффициент использования бактерицидного потока, принимаемый в зависимости от типа установки ( для установок ОВ – АКХ – 1 можно принимать около 0,9 ) ;

Nо – коэффициент использования бактерицидного облучения, принимаемый равным 0,9.

Расход электроэнергии на обеззараживание 1 м3 воды колеблется от 10 вт ч для чистых артезианских вод до 120 вт ч для речных вод после их очистки на обычной фильтровальной станции.

Глава 6.

Экономическое обоснование проектируемой станции очистки питьевых вод*

§ 1.6 Расчёт капитальных затрат на новую очистную станцию*

1. Капитальные затраты для аэрационных сооружений – 5 млн.530тыс.руб.

2. Капитальные затраты для одноступенчатой схемы очистной схемы очистки природной воды – 4млн. 400тыс. руб.

3. Капитальные затраты на строительство – 7 млн. руб.

4. Стоимость блоков реагентного хозяйства 4млн. 250тыс.руб.

5. Стоимость блоков очистки и обеззараживания воды 5 млн. 400 тыс. руб.

6. Стоимость вспомогательного оборудования – 2 млн.875 тыс. руб.

Таким образом, капитальные вложения по новой станции: 29млн.455тыс.руб.

Капитальные вложения базового варианта: 25 млн. 300тыс. руб.

Расчёт себестоимости новой станции:

Он складывается из расходов:

а) На электроэнергию и топливо = 1млн.255тыс.руб.

б) Амортизационные отчисления = 843 тыс.руб.

в) Материалы и химические реагенты = 1млн. 086тыс.руб.

г) Заработная плата = 1 млн. 611 тыс. руб.

д) Цеховые и прочие расходы = 843 тыс. руб.

Себестоимость новой очистной станции

С_Н = 1млн. 255 тыс. + 843 тыс. + 1 млн. 686 тыс. + 253 тыс. + 1 млн. 011 тыс. руб. + 843 тыс. руб. = 5 млн. 891 тыс. руб.

С_Н = 5 млн. 891 тыс. руб.

Базовая себестоимость очистной станции С_Б = 7 млн. 460 тыс. руб.

*Основные положения расчёта и затраты заимствованы из издания: «Справочника по современным технологиям очистки природных и сточных вод и оборудованию. Мин. Экологии и энергетики, Дания. Отдел по Сотрудничеству Дании и России в области окружающей среды в Восточной Европе, 2001 год.

Расчёт годового экономического эффекта

Годовой экономический эффект в данном случае определяется по разности приведённых затрат в сравниваемых вариантах:

Э_Т = (С_Б – Е_Н ∙ К_Б ) – (С_Н + Е_Н ∙ К_Н )

С_Н ;С_Б = себестоимость по вариантам

К_Б ;К_Н = капитальные вложения по вариантам

Э_Т = (7 млн. 460 тыс. + 0,15 ∙ 25 млн. 300 тыс.) – (5 млн. 891 тыс. + 0,15 ∙ 29 млн. 455 тыс.) = (7 млн. 460 тыс. + 3 млн. 795 тыс.) – (5 млн. 891 + 4 млн. 418 тыс.) = 11 млн. 255 тыс. – 10 млн. 309 тыс. = 946 тыс. руб.

Срок окупаемости капитальных вложений определяем по формуле:

Срок окупаемости З года

Коэффициент экономической эффективности капитальных вложений:

Глава 7

Безопасность жизнедеятельности

§ 1.7 понятие экологической безопасности

Безопасность – способность предмета, явления или процесса сохранять свои основные характеристики, параметры, сущность при патогенных разрушающих воздействиях со стороны других предметов, явлений и процессов. Безопасность является важнейшей потребностью человека наряду с его потребностью в еде, одежде, жилище, в информации. Собственно вся деятельность людей направлена на удовлетворение физиологических, социальных и духовных потребностей, включая и обеспечение безопасности. Когда какие – то из них не удовлетворяются, нарушается динамическое равновесие в системе жизнеобеспечения человека, наступают изменения к ухудшению, нередко необратимые, гибельные. Это в равной мере, относится и к другим системам – обществу, государству, природе, технологиям хотя уровни удовлетворения их потребностей в безопасности разные.

Проблема безопасности, что заключено в самом этом слове предполагает отсутствие, ограничение или снятие опасности. Но весь парадокс в том, что безопасности без опасности не бывает. Безопасность обретает своё существование в связи с появлением угроз. Другими словами, основным критерием безопасности является чувство опасности или способность определять социальные или природные явления, которые могут нанести ущерб в настоящем и будущем.

Экологическая безопасность – процесс обеспечения защищённости жизненно важных интересов личности, общества, природы и государства от реальных и потенциальных угроз, создаваемых антропогенным или естественным воздействием на окружающую среду.

- Система экологической безопасности – совокупность законодательных, технических, медицинских и биологических мероприятий, направленных на поддержание равновесия между биосферой и антропогенными, а так же естественными внешними нагрузками.

- Субъекты экологической безопасности – индивидуум, общество, биосфера, государство.

- Объекты экологической безопасности - жизненно важные интересы субъектов безопасности: права, материальные и духовные потребности личности, природные ресурсы и природная среда как материальная основа государственного и общественного развития

- Предельно допустимая экологическая нагрузка – максимальный уровень воздействия антропогенных факторов, при котором сохраняется функциональная целостность экосистем.

- Зона чрезвычайной экологической ситуации – участки территории, где в результате хозяйственной или иной деятельности происходят отрицательные изменения окружающей среды, влекущие за собой нарушения здоровья населения, нарушение равновесия естественных экосистем, прежде всего генетических фондов.

- Зона экологического бедствия – участки территорий, где в результате хозяйственной деятельности либо иной деятельности, а так же естественных катаклизмов произошли необратимые изменения окружающей среды, влекущие за собой увеличение заболеваемости и смертности населения, разрушение биогеоценозов биогеоценозов.

- Здоровье – состояние полного физического психологического и социального благополучия, а не просто отсутствие заболеваний или недомоганий (определение всемирной организации здоровья).

Несмотря на наличие нормативной базы по экологической безопасности и весьма разветвлённой системы государственных структур, связанных с решением проблем экологической безопасности, проблемы экологической безопасности страны не только не уменьшаются, а продолжают расти. Можно выделить две главные причины: 1) переходный характер нашего общества с его нестабильностью. Это определяет недостаточное влияние к проблемам экологической безопасности;

2) Слабая разработка теоретических и прикладных аспектов проблемы экологической безопасности в России.

В мире признано, что стержнем концепции экологической безопасности является теория экологического риска и прикладная её часть – определение уровня приемлемого риска (этот риск во многом определяет воздействием на здоровье людей). Чем быстрее мы войдём на мировой уровень теоретических и практических разработок в этой области, тем успешнее будет, решаться задача обеспечения национальной безопасности страны.

Положение с разработкой концепции экологической безопасности стало меняться лишь с конца 1991 года. В 1991 году (ноябрь) Госсовет России выдвинул основы концепции, в конце 1992 года Минприроды разработал программу «Экологическая безопасность России». В начале 1993 года рассмотрена концепция экологической безопасности России. Совет безопасности РФ в марте 1993 года обсудил вопрос о состоянии здоровья населения России (в том числе в связи с экологическим состоянием страны).

Заключение

1. В результате проведённой работы обоснован выбор типа очистной станции питьевых вод для г. Электроугли Ногинского района Московской области

2. Разработан генеральный план водоочистной станции на 10 тыс. м³ /сутки

3. Разработан поэтажный план здания водоочистной станции.

4. Разработана безнапорная высотная схема водоочистной станции и её компоновка.

5. Проведён подбор осветлителей и расчётным методом определены их размеры

6. Проведены выбор типа фильтров и определены их размеры

7. Определены технологические параметры водоочистной станции.

Список литературы.

1. Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды. СниП 2.04.02 – 84 - М.; Центральный институт типового проектирования, 1989;

2. Серебряков Н.Б. Проектирование водопроводных сооружений - М.; Стройиздат, 1984;

3. Карюхина Т.А., Чуранова И.Н. Контроль качества воды, Учебник, -М.; Стройиздат, 1986;

4. Фрог Б.И., Левченко А.П. Водоподготовка. – М.; изд. МГУ, 1996

5. Яковлев С.В. и др. Водоотведение и очистка сточных вод. Учебник, - М.; Стройиздат,1996;

6. СниП 2.04.02 – 84 Водоснабжение, наружные сети и сооружения. – М.; Госстрой России, ГУП ЦПП, 2000;

7. Сан ПиН 2.1.4.559 – 96 Питьевая вода. – М.; инф.изд Центр Госкомсанэпиднадзора России, 1996;

8. Николадзе Г.И., Солов М.А. Водоснабжение. – М.; Стройиздат, 1995;

9. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. – М.; Высш. шк.,1987;

10. Оводов В.С. Сельскохозяйственное водоснабжение и обводнение. – М.; Колос, 1984;

11. Смягин В.Н., Небольсина К.А., Беляков В.М. Курсовое и дипломное проектирование. – М.; Агропромиздат, 1990;

12. Карамбиров Н.А. Сельскохозяйственное водоснабжение. – М.; Анропромиздат, 1996;

13. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. Киев; Высш. шк., 1981;

14. Расчет проектирования систем водохозяйственного. – М.; Колос, 1995;

15. Клячко В.А., Апельнин И.Э. Очистка природных вод. Изд. лит. По строительству. – М.; 1979.