Материал: Гончарук учебник

Отстойники. Осаждение взвешенных веществ достигается в отстойниках благо­ даря замедлению скорости движения воды и действию силы тяжести. Поступая из труб

врезервуар, вода продолжает двигаться, но

вучастке перехода из узкого русла в ши­ рокое ее движение замедляется настолько (от 1 м до нескольких миллиметров за 1 с), что взвешенные вещества оседают в усло­ виях, близких к тем, которые создаются при ее полной неподвижности.

Взависимости от направления движения воды отстойники делятся на го­

ризонтальные и вертикальные.

Горизонтальный отстойник — резервуар прямоугольной формы глуби­ ной в несколько метров (3—4 м). В нем вода движется с очень низкой скорос­ тью (2—4 мм/с) к отверстию, расположенному в противоположном конце. Для улучшения распределения воды по всему объему отстойника после входного отверстия по всей ширине устанавливаются водосливные или дырчатые пере­ городки. Дно горизонтального отстойника имеет наклон в сторону входной час­ ти, где находится приямок для сбора осадка. Обычно отстойник разбивают на ряд параллельных коридоров шириной до 6 м. Горизонтальные отстойники пе­ риодически очищают от осадка струей воды из брандспойта (на время очистки отстойник выводят из режима работы) или при помощи скребков (рис. 14).

Вгоризонтальном отстойнике на взвешенную частицу действуют две взаим­ но перпендикулярные силы: тяжести (и), перемещающая частицу вертикально вниз, и движения (v), которая тянет частицу в горизонтальном направлении. Вследствие этого частица движется по равнодействующей и в зависимости от соотношения сил опускается на дно или выносится течением из отстойника.

Ввертикальном отстойнике, который имеет цилиндрическую или четы­

рехугольную форму с конусообразным дном, вода поступает в центральную трубу, опус­ кается по ней в нижнюю часть отстойника, поворачивается на 180°, медленно движется вверх, переливается через борт кольцевого желоба и далее попадает через трубу на фильт­ ры (рис. 15). Сила тяжести (и) и сила движе­ ния воды (v) действуют на взвешенную части­ цу в противоположном направлении. Поэтому для эффективного осаждения скорость дви­ жения воды в вертикальных отстойниках долж­ на быть ниже, чем в горизонтальных. В гори­ зонтальных отстойниках расчетная скорость составляет 2—4 мм/с, а в вертикальных — ниже 1 мм/с (0,4—0,6 мм/с). Вода находится в отстойнике в течение 4—8 ч. За это время

151

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

оседают преимущественно грубодисперсные примеси. Так как на своей повер­ хности они сорбируют микроорганизмы, то в отстойниках задерживается зна­ чительная часть бактерий, вирусов и яиц гельминтов.

Фильтрация является следующим (после коагуляции и отстаивания) тех­ ническим приемом освобождения воды от взвешенных веществ, не задержан­ ных на предыдущих этапах обработки (преимущественно это тонкодисперсная суспензия минеральных соединений). Сущность фильтрации состоит в том, что воду пропускают через мелкопористый материал, чаще всего — через песок с определенным размером частиц. Фильтруясь, вода оставляет на поверхности и в глубине фильтров взвешенные вещества.

Фильтры классифицируют с учетом разных характеристик: в зависимости от гидравлических условий работы — открытые (ненапорные) и напорные; по виду фильтрующей основы — сетчатые (микрофильтры, микросита), каркас­ ные, или намывные (диатомитовые), зернистые (песчаные, антрацитовые и т. п.); по величине фильтрующего материала — мелкозернистые (0,2—0,4 мм), среднезернистые (0,4—0,8 мм), крупнозернистые (0,8—1,5 мм); и по скорости фильтрования — медленные (0,1—0,2 м/ч) и скорые (5—12 м/ч); по направле­ нию фильтрующего потока — одно- и двухпоточные, и по количеству фильт­ рующих слоев — одно-, двух-, трех-, многослойные.

Фильтры медленного действия — это первый тип фильтров, которые на­ чали использовать в практике водообработки. В 1829 г. Джон Симпсон постро­ ил для лондонского водопровода песчаные фильтры, которые получили назва­ ние английских, или медленных. Фильтры медленного действия применяют в том случае, когда мутность воды не превышает 200 мг/л и можно ограничиться предварительным естественным отстаиванием ее без коагуляции. Это резервуа­ ры из бетона, железобетона или кирпича, заполненные послойно щебнем, галь­ кой, гравием и песком. Размер частиц постепенно уменьшается в направлении снизу вверх (от 40 до 2 мм). Общая толщина слоя песка составляет 0,8—1 м (рис. 16). Фильтр имеет двойное дно — нижняя его часть сплошная, верхняя — перфорированная. Между ними образуется дренажное пространство, в которое и поступает профильтровавшаяся вода. На верхнюю часть дна кладут слой щеб­ ня или гравия (толщиной 0,4—0,45 м), а на него — собственно фильтрующий слой кварцевого песка (0,8—0,85 м), на который подают очищаемую воду.

Процесс фильтрации на медленном фильтре приближается к естественно­ му: вода проходит через фильтр медленно, со скоростью 0,1—0,2 м/ч. При та­ ких условиях достигается практически полное осветление воды и очистка ее от микроорганизмов (на 95—99%).

По мере фильтрации воды на поверхности фильтрующего слоя песка обра­ зуется биологическая пленка (толщиной 0,5—1 мм) из задержанных разнооб­ разных органических остатков, минеральных веществ, коллоидных частиц и большого количества микроорганизмов. Формируется она в течение несколь­ ких суток, и этот период называется периодом "созревания" фильтра. Пленка са­ ма является фильтром и задерживает мелкую взвесь, которая прошла бы сквозь поры песка. То есть на медленном фильтре происходит пленочная фильтрация воды. Биологическая пленка способствует также минерализации органических

152

Рис. 16. Фильтр медленного действия для очистки питьевой воды:

1 — поступление обрабатываемой воды; 2 — трубопровод для осветленной воды; 3 — трубопровод для сточной воды

веществ и уничтожению микрофлоры, снижению окисляемости (на 20—45%) и цветности (на 20%).

Со временем поры биологической пленки забиваются взвешенными час­ тицами, что приводит к повышению сопротивления и тормозит фильтрацию. Поэтому медленные фильтры нужно периодически очищать путем удаления 15—20 мм верхнего слоя и подсыпания чистого песка 1 раз в 10—30 сут. В это время фильтр выводят из работы.

Основными факторами, способствующими очистке воды на медленных фильтрах, являются: механическая задержка взвешенных частиц, адсорбция, окисление (химическое действие растворенного в воде кислорода), фермента­ тивная деятельность микроорганизмов, биологические процессы, связанные с жизнедеятельностью простейших.

Несмотря на высокую эффективность очистки, простоту оборудования

иэксплуатации, медленные фильтры сегодня используют только на малых во­ допроводах, в сельских населенных пунктах по причине их низкой производи­ тельности.

Фильтры скорого действия. Объемная фильтрация при помощи скорых фильтров является физико-химическим процессом. При объемной фильтрации механические примеси воды проникают в толщу фильтрующего слоя загрузки

иабсорбируются под действием сил молекулярного притяжения на поверхности

153

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

его зерен и приставших ранее частиц. Чем выше скорость фильтрации и круп­ нее зерна загрузки, тем загрязняющие вещества глубже проникают в толщу и равномернее распределяются.

В настоящее время скорые фильтры нашли широкое применение в практике очистки питьевой воды. Они пропускают за час столб воды высотой 5—10 м, то есть их производительность в 50—100 раз выше медленных и следователь­ но уменьшается площадь и объем сооружений. Вот почему медленные фильт­ ры уступили место скорым на больших водопроводах. Схема устройства ско­ рых фильтров приведена на рис. 17. Вода, прошедшая коагуляцию, отстойник или осветлитель, поступает через боковой карман в резервуар фильтра. Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна быть не менее 2 м. В процессе работы фильтра вода проходит через фильтрующий (кварцевый песок толщи­ ной 0,7—1,0 м) и поддерживающий (щебень, гравий толщиной 0,4—0,6 м) слои и распределительной системой направляется в резервуар чистой воды. Важно, чтобы скорость фильтрации была постоянной на протяжении фильтроцикла, то есть не уменьшалась по мере его загрязнения. С этой целью на трубо­ проводе, который отводит профильтрованную воду, устанавливают автомати­ ческие регуляторы скорости фильтрации. Благодаря регуляторам, через фильтр проходит постоянное количество воды.

Скорые фильтры пропускают значительно больше воды, чем медленные, поэтому они быстрее загрязняются. В результате задержки взвешенных частиц в толще фильтрующего слоя уменьшается размер пор, что приводит к повыше­ нию сопротивления загрузки во время фильтрации и потере напора. Продол­ жительность фильтроцикла колеблется в предалах 12—24 ч. Поэтому скорые фильтры нуждаются в очистке 1—2 раза в сутки, а в паводок, при высокой мут­ ности воды, — чаще. По окончании фильтроцикла фильтр промывают струей чистой профильтрованной воды, направленной снизу вверх (обратным током), которую подают под давлением в распределительную систему. Промывная во­ да, проходя с высокой скоростью (в 7—10 раз большей, чем скорость фильтро­ вания) через фильтрующую загрузку снизу вверх, поднимает и взвешивает ее. Промывная вода вместе с грязью переливается в сборные желоба над поверх­ ностью фильтрующего материала и отводится в водосток. Продолжительность промывки скорых фильтров — 7—10 мин. Количество воды, используемой для промывки фильтра, зависит от типа загрузки и колеблется от 12 до 18 л/с на 1 м2.

Для интенсификации процесса фильтрации пытаются повысить грязеемкость фильтров, под которой понимают массу загрязнений (в кг), задержанных 1м2 фильтрующей загрузки фильтра в течение фильтроцикла. Повышенную грязеемкость имеют фильтры с двухслойной загрузкой, двухпоточные фильтры системы АКХ и ДЦФ.

В фильтрах с двухслойной загрузкой над слоем песка толщиной 0,4—0,5 м насыпается слой измельченного антрацита или керамзита. В таком фильтре верхний слой, состоящий из более крупных зерен, задерживает основную массу загрязнений, а песчаный — их остаток, прошедший через верхний слой. Общая грязеемкость двухслойного фильтра в 2—2,5 раза больше грязеемкости

154

Рис. 17. Скорые фильтры:

а — однослойный фильтр; б — двухслойный фильтр; в — двухпоточный фильтр

обычного скорого фильтра. Плотность антрацита (керамзита) меньше плотнос­ ти песка, поэтому после промывки фильтра послойное расположение загруз­ ки восстанавливается самостоятельно. Скорость фильтрации в двухслойном фильтре составляет 10—12 м/ч, что в 2 раза больше, чем в однослойном скором.

Сущность работы двухпоточных фильтров АКХ заключается в том, что ос­ новная масса воды (70%) фильтруется снизу вверх, а меньшая часть (30%) — как и в обычных скорых фильтрах — сверху вниз. Благодаря этому основная

155