Основные функции водопроводных очистных сооружении и процессы обработки воды
Изучение качества воды природного источника позволяет установить характер необходимых операций по ее обработке. В некоторых случаях на очистные сооружения возлагается задача устранения какого-либо определенного недостатка природной воды или целого комплекса недостатков, а иногда — задача искусственного придания воде новых свойств, требуемых потребителем.
Все разнообразные функции, возлагаемые на очистные сооружения, могут быть сведены к следующим:
1) осветление воды - удаление из воды содержащихся в ней взвешенных веществ (нерастворимых примесей), что обусловливает снижение ее мутности;
2) обесцвечивание воды - устранение веществ, обусловливающих цветность воды;
3) обеззараживание воды - уничтожение содержащихся в воде бактерий, в том числе болезнетворных;
4) умягчение воды - удаление из воды катионов кальция и магния; обессоливание воды - снижение общего солесодержания в воде; опреснение воды - частичное обессоливание воды до остаточной концентрации солей не более 1000 мг/л.
В некоторых случаях может производиться удаление отдельных видов солей (обескремнивание, обезжелезивание и т. п.).
Степень необходимой глубины осветления, обесцвечивания, обессоливания воды зависит от характера ее использования.
На очистные сооружения могут быть возложены также отдельные специальные функции — дегазация (удаление растворенных в воде газов), устранение запахов и привкусов природной воды и др.
В некоторых случаях, в соответствии с требованиями производственных потребителей, условиями эксплуатации водопроводов и для проведения операций по очистке воды, необходима специальная обработка воды для достижения требуемого значения рН, придания воде свойств стабильности и т. п.
Часть операций по обработке воды может быть отнесена к процессам собственно очистки воды: устранение мутности, цветности, удаление планктона, бактерий и избыточного количества растворенных солей.
Стабилизация воды, поддержание требуемого значения рН, имеющие целью придать воде свойства, необходимые для предотвращения коррозии трубопроводов, успешного протекания коагулирования воды и т. п., уже не могут быть отнесены к процессам очистки воды. Таким образом, понятие «обработка» воды является более общим, чем понятие «очистка» воды. Очистка воды — это частный случай ее обработки.
Для отдельных видов потребителей очистные сооружения должны выполнять комплексно несколько из указанных функций. Например, в хозяйственно-питьевых водопроводах, использующих речную воду, на очистные сооружения возложены задачи осветления, обесцвечивания, устранения запахов и привкусов воды, а иногда одновременно и ее умягчения.
Решение всех поставленных перед очистными сооружениями задач может проводиться путем использования различных технологических приемов.
Так, осветление воды может быть достигнуто путем отстаивания и фильтрования.
Отстаивание может быть механическим, когда очищаемая вода проходит через специальные бассейны (отстойники) с весьма малой скоростью.
Коагулирование - применяют для осаждения коллоидных частиц, а также для ускорения процесса осаждения взвеси. В воду, подлежащую осветлению, вводят химические реагенты (коагулянты), способствующие связыванию частиц в крупные хлопья, что ускоряет их выпадение в отстойниках.
Для глубокого осветления речной воды, используемой для питьевого водоснабжения, применяется двухступенчатая система осветления. После отстойников воду направляют на фильтры, где она дополнительно осветляется, проходя через слои фильтрующего материала.
Удаление взвешенных веществ может осуществляться не только отстаиванием, но и флотацией, при которой осветление происходит в результате выноса взвеси на поверхность воды пузырьками воздуха. Для создания пузырьков воздуха в части осветляемой воды (около 10%) растворяют под давлением воздух и подают ее в остальную часть осветляемой воды, находящуюся под атмосферным давлением. При этом из насыщенной воздухом воды выделяются мельчайшие пузырьки, флотирующие взвесь.
Для задержания находящихся в воде взвешенных частиц применяют специальный метод осветления, при котором вода после коагулирования пропускается через слой взвешенных хлопьев, выпадающих в результате задержания частиц взвеси в осадок. Коагулирование одновременно способствует повышению эффективности процесса фильтрования воды. Коагулирование воды с последующим ее отстаиванием и фильтрованием позволяет осуществить обесцвечивание воды.
Для некоторых производств, не требующих прозрачной воды, оказывается достаточным освобождение ее лишь от наиболее крупных взвешенных частиц, а также плавающих предметов. В этих случаях применяют грубую механическую очистку воды — процеживание, осуществляемое большей частью в водозаборных сооружениях, где для этой цели устанавливают решетки и сетки.
Попутно с осветлением вода при коагулировании и фильтровании в значительной степени освобождается от бактерий, благодаря чему повышаются ее санитарные качества.
Специальной операцией по уничтожению содержащихся в воде бактерий, в частности болезнетворных, является дезинфекция (обеззараживание) воды. Для обеззараживания применяют хлорирование, озонирование, а также бактерицидное облучение воды.
Для улучшения качества воды применяют также и другие операции: умягчение, обессоливание, дегазацию и др.
Принципиальная схема комплекса водопроводных очистных сооружений
Очистные сооружения являются одним из составных элементов системы водоснабжения и тесно связаны с ее остальными элементами.
Вопрос о месте расположения очистной станции решается при выборе схемы водоснабжения объекта. Часто очистные сооружения располагают вблизи источника водоснабжения и, следовательно, в незначительном удалении от насосной станции I подъема.
Наибольшее распространение в практике водоочистки, особенно в городских водопроводах, имеют схемы очистных сооружений с самотечным движением воды. Вода, поданная насосами станции I подъема, самотеком проходит последовательно все очистные сооружения и поступает в сборный резервуар чистой воды, из которого забирается насосами станции II подъема.
Рекомендации по выбору сооружений станций очистки воды, предназначенной для хозяйственно-питьевых целей, приведены в СНиП 2.04.02-84.
Очистные станции водопроводов населенных пунктов в зависимости от качества воды источника могут осуществляться по одноступенчатой или двухступенчатой схеме.
1- резервуар чистой воды; 2—фильтр: 3 — отстойник; 4, — камера хлопьеобразования; 5 — смеситель; 6 — башня промывной воды; 7 — хлораторы первичного хлорирования; 8 — хлораторы вторичного хлорирования; 9 — растворные баки коагулянта; 10 — емкость-хранилище коагулянта; 11 — расходные баки; 12 — баки для гашения извести; 13 — гидравлическая мешалка; 14 — гидроциклон; 15 — дозатор известкового молока; 16 — лопастная мешалка; 17 — расходные баки полиакриламида с поплавковым дозатором; 18 — дозатор активного угля; 19 — вакуум-бункер с секторным питателем; 20 — вакуум-насос; 21 — сатуратор раствора фтора; 22 — ротаметр; 23 — хранение кремнефтористого натрия в таре; 24 — хранение активированного угля в таре; 25 — расходный бак угольной пульпы; 26 — насос; 27 — узел повторного использования воды
Двухступенчатая схема очистной станции предусматривает следующие операции:
коагулирование воды;
углевание, осветление ее в горизонтальных отстойниках и фильтрах с применением флокулянтов;
обеззараживание с помощью хлорирования.
Вода, подаваемая насосной станцией I подъема, поступает в смеситель 5, куда вводится раствор коагулянта и где происходит его смешение с водой. Из смесителя вода поступает в камеру хлопьеобразования 4 и затем проходит последовательно через горизонтальные отстойники 3 и фильтры 2. После фильтров осветленная вода поступает в резервуар чистой воды 1. В трубу, подающую в резервуар воду, вводится хлор из хлораторной 8. Необходимый для обеззараживания воды контакт ее с хлором обеспечивается в резервуаре. В некоторых случаях хлор в воду подают дважды: перед смесителем (первичное хлорирование 7) и после фильтров (вторичное хлорирование 5). При недостаточной щелочности исходной воды в смеситель 5 одновременно с коагулянтом подается раствор (или суспензия) извести через дозаторы 15. Для интенсификации процессов коагуляции перед камерой хлопьеобразования 4 или фильтрами 2 вводят через дозатор 17 флокулянт — полиакриламид ПАА-10. При наличии в исходной воде привкусов и запахов перед отстойниками или фильтрами вводят через дозатор 18 активированный уголь. Для поддержания необходимой концентрации фтора в питьевой воде перед резервуарами чистой воды вводят фтор из сатуратора 21.
Приготовление реагентов осуществляется в специальных аппаратах, 1 расположенных в помещениях реагентного хозяйства.
Эта схема может рассматриваться как общая принципиальная схема очистных сооружений для речной воды, подаваемой в хозяйственно-питьевые водопроводы.
Для снижения цветности, привкусов и запахов одновременно с введением активированного угля применяются озонирование, аэрирование и другие физико-химические методы.
Вместо горизонтальных отстойников могут быть использованы вертикальные отстойники со встроенными в них камерами хлопьеобразования или осветлители со взвешенным осадком, в последнем случае камеры хлопьеобразования из схемы исключаются.
При одноступенчатой схеме очистки воды ее осветление осуществляется на фильтрах или в контактных осветлителях без использования отстойников.
В настоящее время распространена схема очистки воды с двухступенчатым фильтрованием, применением флотаторов, устройством аэрации в смесителях или в специальных сооружениях перед ними.
Для схемы с самотечным движением воды в очистных сооружениях следует наиболее рационально использовать рельеф местности. В связи с этим при проектировании очистных сооружений составляют высотную схему станции. Высотная схема устанавливает взаимосвязь между уровнями воды и характерными отметками отдельных элементов очистной станции. Схему составляют, задавшись отметкой наивысшего уровня в резервуаре чистой воды. Приближенно принимая обычные (по опыту) потери напора в отдельных сооружениях и в соединяющих их трубах, вычисляют требуемые отметки уровней воды в остальных сооружениях.
В отдельных случаях схема очистных сооружений хозяйственно-питьевых водопроводов может быть дополнена устройствами для умягчения воды, обесфторивания и др.
Схемы обработки подземных вод для хозяйственно-питьевых водопроводов в ряде случаев более просты, так как включают лишь сооружения для обеззараживания воды. При использовании подземных вод большой жесткости или содержащих железо схемы их обработки включают сооружения для умягчения или обезжелезивания воды.
Схемы очистки и обработки воды для нужд производства весьма разнообразны, как и требования к качеству воды, предъявляемые различными производственными потребителями. Для ряда потребителей эти схемы довольно просты, как, например, схемы грубого осветления воды. Отдельные же производственные потребители требуют воду такого качества, которой вообще нет в природных источниках. В этих случаях приходится применять сложные схемы, предусматривающие использование различных физических и химических методов обработки природной воды для придания ей требуемых качеств.
Некоторые виды обработки воды допускают использование схемы ее подачи через очистные сооружения под напором. При такой схеме отпадает необходимость в насосной станции II подъема, и вода после очистки под оставшимся напором может поступать к потребителю. В этом достоинство напорных схем.
Комплекс очистных сооружений должен быть запроектирован на расчетный расход включающий максимальное суточное водопотребление снабжаемого объекта и собственные нужды станции.
Очистные сооружения рассчитывают, как правило, на равномерную подачу воды в течение суток.
Системы и схемы водоотведения в городах
Системой водоотведения называют комплекс сооружений, предназначенных дли отведения и очистки бытовых, производственных и поверхностных (атмосферных) сточных вод.
• Общесплавная система водоотведения предполагает отведение на очистные сооружения всех видов сточных вод по одной подземной сети труб и каналов. Для облегчения условий работы насосных станций и очистных сооружений в периоды сильных дождей, а также для уменьшения размеров главных коллекторов на них устанавливают ливнеспуски-камеры, через которые в ближайший водоем сбрасывается часть смеси городских и дождевых сточных вод.
Достоинства общесплавной системы:
- минимальная протяженность водоотводящих сетей
- сокращение количества смотровых колодцев и объемов земляных работ при строительстве.
Недостатки общесплавной системы:
- значительные единовременные затраты на строительство сети большого сечения, насосных станций и очистных сооружений.
• Полураздельная система водоотведения предусматривает устройство двух сетей — производственно-бытовой и дождевой, в местах пересечения которых устраивают разделительные камеры. При малых расходах дождевой воды весь ее объем смешивается в камерах с производственно-бытовыми стоками и поступает в главный коллектор.
В начальный период дождя, когда с городской и производственной территорий смывается основная часть загрязнений, суммарный расход смешанных стоков в сети возрастает незначительно, работа полураздельной системы аналогична общесплавной системе водоотведения. При больших расходах дождевой воды ее наиболее значительная часть, попадая в разделительные камеры, отводится в водоем без очистки. Принцип действия разделительных камер основан на увеличении дальности полета компактной части потока дождевой воды при увеличении скорости ее движения в уличном коллекторе. В результате этого в период интенсивного выпадения дождя работа полураздельной системы аналогична полной раздельной системе водоотведения.
Достоинства полураздельной системы:
- возможность поэтапного строительства уличных коллекторов производственно-бытовой сети и коллекторов дождевой сети;
- во время дождя в водоем поступает минимальное количество загрязнений.
Недостатки полураздельной системы:
- неустойчивый режим работы главного коллектора с раздельными камерами в период дождя
- сложность эксплуатации системы в целом.
• Полная раздельная система водоотведения предусматривает две самостоятельные сети трубопроводов:
для бытовых и загрязненных производственных сточных вод;
для отведения поверхностного стока и условно чистых производственных сточных вод.
Достоинства полной раздельной системы водоотведения:
- возможность строительства бытовой сети в качестве первой очереди;
- минимальная стоимость строительства и эксплуатации городских очистных сооружений
- равномерный режим работы бытовой сети.
Недостатки полной раздельной системы:
- сброс всего объема дождевых вод в водоем происходит без очистки;
- при локальной очистке дождевых вод частичный сброс дождевых вод происходит через разделительные камеры без очистки в водоем;
- дополнительные затраты на строительство и эксплуатацию локальных очистных сооружений.
- при централизованной очисткой дождевых сточных вод возникает необходимость строительства и эксплуатации главного перехватывающего коллектора и центральных очистных сооружений поверхностного стока.
• Неполная раздельная система водоотведения предусматривает сеть трубопроводов для отвода бытовых и загрязненных производственных сточных вод и устройство открытой (поверхностной) дождевой сети в виде уличных лотков, кюветов и канав.
• Комбинированная система водоотведения предусматривает наряду с общесплавной системой элементы полной или неполной раздельных систем. Такая система водоотведения складывается в тех случаях, когда бытовые сети новых районов города присоединяют к общесплавным коллекторам существующей части города.
Выбор системы водоотведёния зависит от климатических условий, рельефа города и требует экологических и технико-экономических обоснований.
Применение общесплавной системы целесообразно при наличии крупных проточных водоемов в районах, характеризующихся небольшим количеством атмосферных осадков, и в городах с высокой плотностью населения (многоэтажная застройка).
Применение полной раздельной системы без очистки дождевого стока нецелесообразно по экологическим соображениям. Полная раздельная система с локальными очистными сооружениями на 11... 15% дороже других систем. Применение полной раздельной системы с центральными очистными сооружениями поверхностного стока целесообразно в климатических районах с интенсивным выпадением дождей.
Применение полураздельной системы водоотведения значительно шире, так как она лишена ряда недостатков и ограничений, присущих общесплавной и полной раздельной системам.
В нашей стране наибольшее распространение получили: в больших городах—полные раздельные системы, в малых городах—неполные раздельные системы.