Материал: Гончарук учебник

Рис. 11. Микрофильтр:

(а — разрез по А-А; б — продольный разрез): 1,10 — соответственно каналы отвода и подачи воды; 2 — сточная труба; 3 — воронка для сбора промывной воды; 6 — барабан с микросеткой; 7 — водослив; 8 — пластинчатые разбрызгиватели; 9 — входная труба; 11 — камера микрофильтра; 12 — фильтрую­ щие элементы

диатомовых, до 95% сине-зеленых водорослей, зоопланктон — полностью и до 35% взвешенных веществ, находившихся в исходной воде.

Барабанные сита используют для грубого процеживания воды. Их мож­ но устанавливать на водозаборах вместо ленточных сеток. Размер ячеек бара­ банных сеток — 0,5 х 0,5 мм, а защитных — 10x10 мм.

Осветление и обесцвечивание воды достигается в зависимости от нача­ льных показателей мутности и цветности естественным отстаиванием и филь­ трацией на медленных фильтрах или коагуляцией, отстаиванием и фильтраци­ ей на скорых фильтрах.

Отстаивание воды. Суть отстаивания состоит в том, что в стоячей или в медленно текущей воде взвешенные вещества, относительная плотность кото­ рых выше, чем воды, выпадают под действием силы тяжести и оседают на дно. Отстаивание происходит и в источниках водоснабжения, и в ковшах. Кроме того, на водопроводных станциях для осаждения взвешенных веществ приме­ няют специальные сооружения — отстойники. Однако естественный процесс отстаивания происходит медленно и эффективность осветления и обесцвечи­ вания при этом низкая.

Нахождение взвешенных веществ в толще воды во взвешанном состоянии и выпадение их в осадок зависит от: 1) скорости течения; 2) относительной плотности и диаметра частиц. Чем медленнее течет вода и чем тяжелее части­ цы, тем быстрее и полнее они оседают на дно. Осаждением удается удалить из воды грубодисперсные примеси (частицы размером более 100 мкм).

Природный способ осаждения взвеси не удовлетворяет современным тре­ бованиям очистки воды на водопроводах. Его основные недостатки — низкая скорость осаждения и необходимость в увеличении объема отстойника для продления процесса осаждения. Кроме того, наиболее мелкие взвешенные час­ тицы не успевают осесть, а коллоидные частицы размером 0,001—0,1 мкм не выделяются вообще. Поэтому для повышения эффективности осветления и обесцвечивания проводят предварительную коагуляцию воды.

146

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Коагуляцией воды называют процесс укрупнения коллоидных и диспер­ гированных частиц, происходящий вследствие их слипания под действием сил молекулярного притяжения. Коагуляция завершается образованием видимых невооруженным глазом агрегатов — хлопьев и отделением их от жидкой сре­ ды. Различают два типа коагуляции: коагуляцию в свободном объеме (проис­ ходит в камерах реакции или хлопьеобразования) и контактную (в толще зер­ нистой загрузки контактных осветлителей и контактных фильтров или же в массе взвешенного осадка отстойников-осветлителей).

Коагуляция происходит с участием химических реагентов — коагулянтов (солей алюминия и железа): алюминия сульфата — A12(S04)3 • 18Н20; алюми­ ния оксихлорида — [А12(ОН)5]С1 • 6Н20; натрия алюмината — NaA102; железа сульфата — FeS04 • 7Н20; железа хлорида — FeCl3 • 6Н2 0 и др. Кроме алюмо- и железосодержащих, используют комбинированные коагулянты, которые со­ держат соли (сульфаты или хлориды) одновременно обоих металлов.

Наиболее часто на хозяйственно-питьевых водопроводах в качестве коа­ гулянта применяют неочищенный алюминия сульфат, который содержит 33% безводного алюминия сульфата и до 23% нерастворимых примесей. В настоя­ щее время промышленность выпускает также и очищенный алюминия суль­ фат, который содержит не более 1% нерастворимых примесей.

При добавлении к воде алюминия сульфат (сернокислый глинозем) всту­ пает в реакцию с кальция и магния гидрокарбонатами, которые всегда содер­ жатся в природной воде и обусловливают ее устранимую жесткость и щелоч­ ность:

A12(S04)3 + ЗСа(НС03)2 = 2А1(ОН)3 + 3CaS04 + 6С02, A12(S04)3 + 3Mg(HC03)2 = 2А1(ОН)3 + 3MgS04 + 6С02.

Основным для процесса коагуляции является образование алюминия гидроксида. А1(ОН)3 образует в воде коллоидный раствор, который придает ей опалесценцию и быстро коагулирует, образуя хлопья во всей толще воды. Они имеют заряд, противоположный заряду коллоидных частиц гуминовых ве­ ществ, которые содержатся в природной воде. Благодаря этому коллоидные частицы коагулянта нейтрализуют заряд коллоидных гуминовых частиц воды. Они устраняют взаимное отталкивание, нарушают кинетическое равновесие коллоидного раствора. Частички становятся неспособными к диффузии, объе­ диняются (агломерируются) и выпадают в осадок. Хлопья же самого коагулян­ та адсорбируют коллоидные и мелкие взвешенные частицы и выпадают на дно, механически захватывая с собой крупную взвесь.

Вследствие процесса коагуляции не только повышается скорость и эффек­ тивность осаждения взвеси, но и значительно уменьшается природная цвет­ ность воды, обусловленная наличием в ней гуминовых соединений. Обесцвечи­ вание, которого невозможно добиться другими способами очистки, происходит вследствие адсорбции гуминовых веществ на поверхности хлопьев коагулянта и дальнейшего выпадения в осадок. Уменьшение количества взвеси способст­ вует также значительному уменьшению количества бактерий и вирусов, содер­ жащихся в воде.

147

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

Коагуляция происходит эффективно при условии, если концентрация гид­ рокарбонат-ионов в воде будет хотя бы эквивалентна количеству алюминия сульфата, который добавляется. В противном случае гидролиз не происходит, алюминия гидрооксид не образует коллоидного раствора и не коагулирует.

Каждый градус щелочности воды соответствует содержанию в ней 10 мг/л СаО и делает возможной реакцию с 20 мг/л безводного алюминия сульфата или приблизительно с 40 мг/л товарного коагулянта — A12(S04)3 • 18Н20. Для осуществления реакции необходим некоторый избыток щелочности (2°). При­ родная щелочность воды большинства рек достаточна для обеспечения коагу­ ляции даже высокими дозами алюминия сульфата. Однако иногда реки болот­ ного, озерного или ледникового происхождения не имеют необходимого резе­ рва природной щелочности. Кроме того, щелочность воды в реках может резко снижаться весной вследствие попадания большого количества талых вод. В та­ ких случаях воду приходится искусственно подщелачивать, для чего одновре­ менно с коагулянтом добавляют гашеную известь — Са(ОН)2 из расчета, что­ бы 1° жесткости соответствовал 10 мг/л СаО. Реакция происходит следующим образом:

A12(S04)3 + ЗСа(ОН)2 = 2А1(ОН)3 + 3 CaS04.

Максимальную дозу коагулянта, которую можно добавить к природной воде без искусственного подщелачивания, рассчитывают по формуле:

где Dm a x — максимальная доза коагулянта (мг/л), А — щелочность воды (мг-экв/л), 0,5 — желательный избыток щелочности, обеспечивающий пол­ ноту реакции коагуляции (мг-экв/л), 0,0052 — коэффициент эквивалентности.

На процесс коагуляции влияет не только щелочность воды, но и активная реакция (оптимальное значение pH 5,5—6,5), температура, наличие гуминовых веществ, количество грубой взвеси, частицы которой служат своеобразными "ядрами коагуляции", интенсивность перемешивания и пр.

По этой причине теоретический расчет для определения оптимальной до­ зы коагулянта является недостаточным. На водопроводах экспериментально определяют условия, при которых коагуляция будет происходить наилучшим образом. Обычно оптимальная доза алюминия сульфата для речной воды коле­ блется в пределах 30—200 мг/л. Эта доза изменяется в зависимости от сезон­ ных колебаний мутности воды в реке или эпизодически под влиянием ливне­ вых стоков.

Ориентировочно оптимальную дозу коагулянта можно определить по фор­ муле:

Дк =4л/К,

где DK — максимальная доза коагулянта (мг/л), К — цветность воды (градусы). Для ускорения коагуляции и интенсификации работы очистных сооруже­ ний применяют флокулянти — высокомолекулярные синтетические соедине­ ния. Различают флокулянты анионного (полиакриламид, К-4, К-6, активиро-

148

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

ванная кремневая кислота) и катионного (ВА-2) типа. Перед применением флокулянтов анионного типа следует обработать воду коагулянтом, чего не требуется при использовании катионных флокулянтов. Флокулянты ускоряют процесс коагуляции, нисходящее движение воды в осветлителях со взвешен­ ным осадком, уменьшают длительность пребывания воды в отстойниках за счет повышения скорости осаждения хлопьев, ускоряют фильтрацию и увеличи­ вают продолжительность фильтроцикла1. К использованию в практике водо­ снабжения допускаются только флокулянты, которые прошли гигиеническую апробацию, имеют научно обоснованные ПДК и включены в список веществ, разрешенных для использования при водоподготовке. С осторожностью сле­ дует использовать высокомолекулярные флокулянты группы полиакриламидов, при производстве которых происходит полимеризация мономера акриламида. Его остатки, не вступающие в реакцию в ходе синтеза, обычно невелики (0,1—0,05%). Однако акриламид относится к генотоксическим канцерогенам (группа 2Б по классификации МАИР) и по рекомендациям ВОЗ его ПДК в воде должна составлять 0,0005 мг/л.

Процесс коагуляции на водопроводах состоит из следующих операций: растворение коагулянта, дозирование, смешение с коагулируемой водой и соз­ дание оптимальных условий для образования хлопьев. Коагуляция только под­ готавливает воду для дальнейшей обработки — осветления и обесцвечивания,

ив этом смысле не являются самостоятельным процессом водоподготовки.

Вряде случаев в схеме обработки воды коагуляция может отсутствовать.

Смесители. Эффективность процессов осветления и обесцвечивания во­ ды в значительной степени зависит от условий смешения обрабатываемой во­ дь: с применяемыми реагентами. Для смешения реагентов с обрабатываемой водой применяют смесительные устройства (сопла Вентури, диафрагмы) или специальные сооружения — смесители. Они должны удовлетворять требова­ нию быстрого и полного смешения реагента со всей массой воды. Кроме того, смесители выполняют функции камер гашения напора, созданного насосами насосной станции I подъема.

Различают два типа смесителей: гидравлические и механические. К гидрав­ лическим относятся (рис. 12): смеситель коридорного типа (с вертикальным или горизонтальным движением воды); дырчатый смеситель; перегородчатый с разделением потока и вертикальный (вихревой). Выбор типа смесителя обос­ новывается технологической схемой, компоновкой водопроводной станции с учетом ее производительности, а также конструктивными соображениями.

Камеры реакции устраивают с целью создания благоприятных условий для завершения второй стадии процесса коагуляции — хлопьеобразования.

По принципу своего действия камеры хлопьеобразования делятся на гид­ равлические и механические (флоккуляторы). Из камер гидравлического типа на практике отдают предпочтение водоворотным, вихревым и перегородчатым

Фильтроцикл — промежуток времени от начала работы фильтра до достижения предель­ ного снижения напора, при котором фильтр нужно вывести из режима фильтрации для промывки.

149

Рис. 12. Камеры гашения напора (смесители):

1 — дырчатого типа (вид сверху); 2 — ершового типа (вид сверху); 3 — коридорного типа (вид сверху); 4 — вихревого типа (вид сбоку);

а — труба, подающая воду после насосной станции I подъема со скоростью 1,2—1,5 м/с; b — отве­ дение воды в камеру реакции (скорость — 0,3—0,5 м/с; с — подача раствора коагулянта)

Рис. 13. Перегородчатая (а) и вихревая (б) камеры хлопьеобразования

камерам. Как правило, камеры всех типов, за исключением перегородчатых, встраивают в отстойники (рис. 13).

Для получения достаточно крупных хлопьев необходимо, чтобы вода на­ ходилась в камере хлопьеобразования от 10 до 40 мин (иногда и дольше) при условии постоянного плавного перемешивания. Скорость воды должна быть в пределах 0,005—0,1 м/с. При повышении скорости воды (больше 0,1 м/с) хло­ пья в камере реакции разбиваются, а при ее снижении (менее 0,05 м/с) начина­ ют оседать, что приводит к ухудшению процесса коагуляции.

150