Улучшение качества воды.

Основные задачи и состав очистных сооружений

      Представление о питьевой воде всегда связывается с тем, что она должна быть прозрачной и бесцветной. В природе этому требованию отвечают только подземные и ключевые воды, но не реки и водохранилища. Основная задача очистки воды из открытых источников в том и состоит, чтобы полностью освободить ее от взвеси (мутности) и тем самым сделать прозрачной (осветлить) и снизить цветность до уровня, когда она становится незаметной. Такие качества высоко расцениваются населением. Для достижения этой цели применяются простые приемы отстаивания воды и фильтрации через песок. В принципе это близко к тому, как происходит осветление воды в природе при продвижении через водопроницаемые породы. Чтобы ускорить и сделать более полным выпадение взвеси и одновременно обесцветить воду, используют коагулянты, а фильтрация через песок ускоряется за счет конструкции фильтров разного типа.
      Отсутствие запаха и привкусов воды, что также чрезвычайно важно, достигается в основном за счет выбора доброкачественного в этом смысле источника. В известных пределах от них можно избавиться и в процессе очистки. Кроме того, для полпой безопасности в эпидемическом отношении вода обеззараживается, как правило, путем хлорирования, озонирования или иным способом. В соответствии с этим в состав очистных сооружений входят отстойники, фильтры и установки и резервуары для коагуляции и хлорирования (рис. 60). Независимо от большей или меньшей сложности их технического устройства и эксплуатации задачи и принципы улучшения качества питьевой воды остаются неизменными.

Рис.60

    Осаждение взвеси и отстойники.

    Вода в реках содержит, как правило, взвешенные вещества, что связано как со взмучиванием пород, слагающих русло реки, так и со смывом в реку частиц почвы потоками дождевых и талых вод. Помимо этого, взвешенные вещества поступают со сточными водами и в результате
использования реки для разных бытовых и хозяйственных потребностей.

      Нахождение частиц во взвешенном состоянии в толще воды или выпадение их в осадок зависит от двух моментов: 

1) скорости движения воды,

2) удельного веса и диаметра частиц.

Чем медленнее движется вода и чем тяжелее и крупнее взвешенные частицы, тем скорее и полнее они опускаются на дно.
     Организация процесса осаждения на водопроводах направлена на то, чтобы создать наиболее благоприятные условия для освобождения воды от взвеси. Замедление тока воды достигается в отстойниках: поступая из труб в бассейн, вода продолжает двигаться, но при переходе из узкого русла в широкое движение настолько замедляется (с 1 м до нескольких миллиметров в секунду), что оседание взвеси происходит в условиях, близких тем, какие создаются при ееполной неподвижности.

    Отстойники делятся на

- горизонтальные (обычные и радиальные)отстойники

- вертикальные

соответственно тому направлению, в каком движется в них вода.

    Обычные горизонтальные отстойники-резервуары прямоугольной формы, поступая в которые, вода медленно движется к                (Рис 61)

выходному отверстию, расположенному в противоположном конце (рис. 61). Для распределения воды по всему отстойнику после входного отверстия и перед ним по всей ширине устанавливают водосливные или дырчатые перегородки. В горизонтальном отстойнике частица взвеси находится под воздействием двух взаимно перпендикулярных сил: скорости выпадения (и) по вертикали и скорости движения воды, увлекающей частицу в горизонтальном направлении. В результате по закону параллелограмма сил частица движется по равнодействующей и опускается на дно или выносится током воды из отстойника в зависимости от соотношений этих двух скоростей.

В вертикальном отстойнике, имеющем цилиндрическую четырехугольную форму, дном в виде конуса или опрокинутой пирамиды вода поступает в центральную трубу, опускается, поворачивается на 180°, медленно двияжется вверх, переливается через борт кольцевого желоба и уходит на фильтры по трубе. Сила тяжести (и) и сила движения (v) воды действуют на
частицу взвеси в прямо противоположных направлениях. Поэтому для успешности осаждения скорость движения воды должна
быть минимальной (рис. 62).

    В горизонтальных отстойниках расчетная скорость 2-4 мм/с, а в вертикальных она меньше 1 мм/с (0,5—0,6) и время прохождения через отстойник —4—8 ч.
    Описанный естественный способ осаждения взвеси не удовлетворяет современным требованиям. Его основной недостаток - медленность и увеличение объема отстойников для удлинения времени осаждения. Кроме того, наиболее мелкая взвесь не успевает осесть, коллоидные вещества совсем не выделяются. Чтобы ускорить и повысить эффективность выпадения взвеси и удаление коллоидных веществ в отстойниках, перед отстаиванием производится коагуляция воды.

    Коагуляция воды.

    Сущность процесса коагуляции состоит в том, что вещества, находящиеся в воде в коллоидном состоянии (гидрозоли или золи), свертываются, образуют хлопья и выпадают в осадок (гидрогели или гели).
    Практически коагуляция воды достигается благодаря внесению химического реагента — коагулянта, который:

1) имеет заряд, противоположный заряду коллоидных частиц, находящихся в воде;

2) сам образует коллоидный раствор, быстро коагулирующийся с образованием хлопьев, выпадающих в осадок.
     Благодаря действию коагулянта нейтрализуется заряд коллоидных частиц воды, они перестают взаимно отталкиваться, кинетическое равновесие коллоидного раствора нарушается, частицы теряют способность к диффузии, объединяются (агломерируются) и выпадают в осадок. Хлопья же самого коагулянта адсорбируют коллоидные и мелковзвешенные частицы и, кроме того, опускаясь на дно, механически увлекают за собой более
крупную взвесь.
     Нейтрализацию заряда коллоидных частиц воды на поверхности хлопьев коагулянта называют нейтрализационной коагуляцией, а их последующую агломерацию в крупные хлопья путем адсорбции или адгезии  флоккуляцией.
     В качестве коагулянта наиболее широко на водопроводах при- меняют сульфат алюминия. Сульфат алюминия получается путем обработки содержащих алюминий глин (бокситы, каолин, белая глина) серной кислотой. Коагулянт не должен иметь примесей, которые при переходе
в питьевую воду могли бы оказать вредное влияние на здоровье человека. Особенно это относится к мышьяку, который может попасть в коагулянт вместе с серной кислотой, к фтору, меди и некоторым другим веществам.

    Организация коагуляции на водопроводах складывается из следующих операций: растворения коагулянта, дозирования, смешения с коагулируемой водой, создания благоприятных условий для образования хлопьев и осаждения их в отстойниках. На больших водопроводах установки коагуляции занимают отдельное здание. Подача и растворение сухого коагулянта механизируются. Коагулянт можно применять размельченным в сухом виде, он проходит через механические дозаторы и растворяется уже непосредственно в коагулируемой воде. Для равномерного распределения раствора коагулянта во всей массе поступающей воды последняя проходит через смесители, которые, имея разное
устройство, служат одной цели — обеспечить быстрое и полное перемешивание. После смешения наступает хлопьеобразование, для завершения которого требуется 15—45 мин. Вначале образуются очень мелкие хлопья (до 5000 в 1 мл), постепенно они объединяются и укрупняются (до 5—10 в 1 мл).
      Условия хлопьеобразования должны облегчить укрупнение хлопьев, предупредить их оседание до окончания этого процесса. Для этого служат камеры реакции, в которых вода движется и плавно перемешивается. Скорость движения в камере должна быть не менее 0,2—0,3 м/с, чтобы хлопья не оседали, и не больше 0,6 м/с, так как при быстром движении хлопья разбиваются и измельчаются. Затем в отстойниках хлопья выпадают на дно и осветляют воду. Если камера реакции отсутствует, как это бывает на небольших водопроводах, хлопьеобразование происходит в отстойнике. Это замедляет выпадение взвеси, так как коагулянт проявляет свое действие только по истечении некоторого времени, потраченного на образование хлопьев, когда вода успевает пройти уже значительную часть отстойника.
     Гигиеническая оценка коагуляции положительная. Химическая сторона этого процесса не связана с изменением естественных свойств воды в худшую сторону. Гидрат окиси алюминия выпадает в осадок, сульфат кальция и углекислота, образующиеся при реакции с бикарбонатами, свойственны и природной воде. Некоторое увеличение постоянной жесткости за счет сульфата кальция возмещается улучшением иных свойств воды: устранением мутности и обесцвечиванием. Хлопья коагулянта увлекают в осадок значительное количество бактерий, которые сами бы не могли осесть. Кроме сульфата алюминия, на водопроводах получает распространение в качестве коагулянта хлорное железо (FeCl3). Достоинства последнего - быстрота наступления и протекания коагуляции и малая зависимость от температуры и рН среды.

Отстойники - осветлители.

Осветление воды, т. е. увеличение ее прозрачности благодаря выпадепию взвеси в осадок, происходит в отстойниках любой конструкции, но название осветлителей присвоено тем из них, где этот процесс носит особый характер - идет в слое взвешенного осадка (рис. 63).
В основном осветлитель имеет конструкцию вертикального отстойника с конусообразным дном. Вода после смещения с раствором коагулянта поступает в нижнюю часть отстойника, возможно равномернее распределяется по площади его горизонтального сечения и подымается с малой скоростью вверх, проходя сквозь слой взвешенных хлопьев коагулянта и ранее задержанного осадка. При этом во взвешенном слое происходит контактное образование новых хлопьев коагулянта, принесенного с водой, и задержание ее взвешенных веществ, значительно более эффективное, чем в обычном вертикальном отстойнике.
    Пройдя зону взвешенного осадка, вода поступает в так называемую зону осветления (правильнее - в зону осветленной воды) и отсюда в верхней части ограждения отстойника перетекает в круговой лоток, отводящий ее на фильтр.
    Избыточный, все время образующийся осадок хлопьев и взвеси отсасывается в уплотнитель, откуда сбрасывается в канализацию. Принцип прохождения слоя осадка во взвешенном состоянии основан на явлении так называемого стесненного осаждения. Чем выше концентрация частиц взвеси, тем более затруднено падение каждой из них. Практически скорость их падения в массе равна скорости восходящего потока осветленной воды, благодаря чему весь слой остается во взвешенном состоянии. При ускорении подачи осветляемой воды концентрация взвеси снижается и скорость падения частиц повышается, но она встречает повышенное же сопротивление ускоренного тока воды
и равновесие слоя не нарушается. Обратное явление, но с тем же результатом, возникает при замедлении тока воды. Эта закономерность сохраняет силу только в известных пределах скоростей, совпадающих практически с теми, что используются при осветлении воды. Осветлители вытеснили обычные вертикальные отстойники. Однако их усложненная конструкция и эксплуатация оправдывают себя при очистке воды не более 50 000 м3/сут. На крупных водопроводах обычно применяются горизонтальные отстойники.

Фильтрация воды

    Фильтрация — следующий после коагуляции и отстаивания технический прием для освобождения воды от взвешенных веществ, не задержанных на первых этапах очистки. Сущность фильтрации состоит в пропуске воды через мелкопористый материал, на поверхности, в верхнем слое или в толще которого задерживаются взвешенные частицы. В 1829 г. впервые построены фильтры, загруженные песком, через которые вода
проходила с небольшой скоростью (впоследствии они получили название медленных), а через 55 лет, в 1884 г., предложена иная конструкция, позволившая увеличить скорость фильтрации в несколько десятков раз (скорые фильтры). Однако фильтрующий материал оставался тот же - песок. Фильтрация шла сверху вниз, толщина слоя песка и воды над фильтром мало варьировала, и в таком виде те и другие фильтры продолжают существовать до настоящего времени, хотя сфера применения медленных фильтров очень сузилась и на современных городских водопроводах они совсем не применяются.
   В последние 20 лет предложены некоторые новые конструкции, получившие известное распространение: медленные , скорые с двусторонней фильтрацией (АКХ) и контактные осветлители (фильтры особой категории) (рис. 64).
Все фильтры представляют собой железобетонные резервуары с двойным дном: нижним сплошным и верхним дырчатым. Меяеду ними образуется дренажное пространство, в него поступает профильтровавшаяся вода или, при обратном токе, - вода на фильтрацию или промывку фильтра. На верхнее дно укладывают под деряшвающий слой щебня и гравия, затем собственно фильтрующий слой песка. На медленных, обычных, скорых и двухслойных фильтрах очищаемую воду напускают на поверхность песка, на скорых с двусторонней фильтрацией - снизу и отчасти сверху и на контактных осветлителях - только снизу.

     Размеры частиц загрузки подобраны таким образом, чтобы они не проваливались из верхнего слоя в нижний.
Господствующее положение на водопроводах всего мира занимают скорые фильтры. Уже более 100 лет как они вытеснили медленные фильтры и продолжают оставаться основным сооружением в очистке питьевой воды.

    Медленные фильтры пропускают в час слой воды в
10 см. По мере фильтрации на поверхности песка образуется так называемая биологическая пленка из задержанной взвеси, водного планктона, в частности бактерий. Эта пленка играет существенную роль, хак как сама служит фильтром и задерживает более мелкую взвесь и бактерии, которые прошли бы сквозь поры песка.        Очистка медленных фильтров производится путем удаления вручную 2—3 см верхнего наиболее загрязненного слоя песка один раз в IV2—2 мес и занимает 2—3 дня, в течение которых фильтр сначала выключается, а затем работает на сброс до образования биологической пленки.
     К достоинствам медленных фильтров относится плавная фильтрация, близкая к естественной, через песчаные породы, отсутствие коагуляции, высокий (до 99% и более) процент задержания бактерий и простота устройства и эксплуатации; но достоинства эти не могут возместить малой производительности и большого объема сооружений, и поэтому они уступили место скорым фильтрам. В России медленных фильтров на городских
водопроводах не строят. Они применяются на сельских водопроводах из открытых источников. Здесь небольшие размеры сооружения не создают экономических препятствий, а надежность действия и простота технического ухода имеют решающее значение.
    Скорые фильтры пропускают в час столб воды высотой 5—6 м, т. е. производительность их в 50 раз больше, чем медленных, и соответственно уменьшаются площадь, объем и стоимость сооружений. Скорые фильтры, пропуская большие количества воды, естественно, быстро засоряются и требуют очистки 1—2 раза в сутки, а в паводок при высокой мутности воды и чаще. Очистка их механизирована и производится обратным током чистой профильтрованной воды, подаваемой в дренажное пространство со значительной скоростью. Проходя через песок снизу вверх, промывная вода взмучивает его и отмывает, переливается в желоба, подвешенные над песком, и оттекает по ним в канализацию, унося с собой задержанную на фильтре взвесь (рис. 65).
      Фильтры разбиваются на секции прямоугольной формы, которые работают и промываются независимо одна от другой. Вместо биологической пленки медленных фильтров здесь после промывки в несколько минут образуется пленка из мелких хлопьев коагулянта, не осевших в отстойнике. Вся операция очистки фильтра занимает около 15 мин, из которых на собственно промывку приходится 5—6 мин. Показанием к промывке фильтра служит увеличение до определенного предела сопротивления, которое испытывает вода, проходя через толщу песка. Это сопротивление возрастает по мере загрязнения песка и выражается в разнице между давлением воды над фильтром и в дренажном пространстве (потеря напора).
     Эффективность фильтров в задержании взвеси наиболее ярко проявляется в освобождении воды от бактерий — на 95 %. Полного 100% задержания бактерий на фильтрах достигнуть нельзя независимо от того, в каком количестве они находились первоначально в очищаемой воде.
     На медленных и скорых фильтрах задержание взвеси происходит в основном на поверхности и в самом верхнем слое песка (10—15 см). Вся остальная толща песка и тем более поддерживающие слои в этом не участвуют. Вследствие этого верхний слой быстро уплотняется, часто возникает необходимость очистки фильтра и общая грязеемкость загруженного материала остается неиспользованной. Стремление преодолеть этот недостаток лежит в основе некоторых новых конструкций скорых фильтров.
     Во всех фильтрах нового типа вода проходит сначала через крупнозернистые слои, где задерживается крупная взвесь, а затем через песок, на долю которого приходится задержание мелкой взвеси. Тем самым отодвигается срок заиливания фильтра и его промывки.
     С практической стороны важно, что резко повышается скорость фильтрации, а следовательно, и производительность всей системы очистки. Однако практика показала, что увеличение скорости фильтрации выше 5—6 м неизбежно связано со снижением эффективности задержания тонких взвесей и бактерий.

• Назад
• Вперёд