Конструктивным оформлением.

Видом фильтрующегося материала;

Скоростью фильтрования;

Механизмом задержания взвешенных частиц;

конструктивным оформлением.

1) Фильтры по виду фильтрующей среды делятся на:

- зернистые- песок, антрацит, керамзит;

- сетчатые – сетки с ячейками различных размеров;

- каркасные или намывные – диатомитовые;

- с плавающей загрузкой – гранулы вспененного пенополистирола.

2) По скорости фильтрования различают:

- медленные фильтры (0, 3 м/ч (открытые);

- скорые =2…15 м/ч (открытые и напорные);

- сверхскорые (25 м/ч (напорные).

3) По характеру механизма задержания взвеси различают:

1. Фильтрование через фильтрующую пленку, образованную частицами взвеси, оседающими на поверхности загрузки. Этот механизм характерен для медленных фильтров, в которых вначале задерживаются только частицы, имеющие размеры больше размеров пор фильтрующего материала. По мере задержания частиц размеры пор в слое осадка уменьшаются, и он задерживает все более мелкую взвесь.

В этих фильтрах в процессе работы качество осветвленной воды (фильтрата) постоянно улучшается, но одновременно растет гидравлическое сопротивление фильтрующей пленки и необходимая высота столба воды над фильтрующим слоем. Для восстановления начального гидравлического сопротивления через 1-2 месяца работы фильтрующая пленка вместе с верхним слоем фильтрующего материала толщиной 1-2 см снимается.

Для медленных фильтров не требуется коагуляция воды, но из-за небольшой скорости фильтрования фильтры имеют большие размеры и в настоящее время на промышленных предприятиях используются мало.

2. Фильтрование без образования фильтрующей пленки. В этом случае задержание частиц, загрязняющих воду, происходит в толще слоя фильтрующего материала. Там они прилипают к зернам материала и удерживаются на них.

Этот механизм характерен для скорых и сверхскорых фильтров.

В процессе работы фильтров оседающие или прилипающие частицы сокращают размеры пор фильтрующего материала. Следовательно, увеличивается скорость движения воды через поры, что приводит к увеличению потерь напора в фильтрующем слое. Потери напора могут возрастать до тех пор, пока через определенный промежуток времени они не превысят величину максимального (обычно 3 м) располагаемого напора перед фильтром, после чего фильтр должен очищаться.

Кроме того, из-за увеличения скорости движение воды в порах начинается частичный вынос ранее осевших частиц взвеси, и качество фильтрата осветленной воды ухудшается. Через определенный промежуток времени работы фильтров (₃ качество осветленной воды становится ниже требуемых по нормам, и фильтр также должен очищаться.

Как значения , так и значения зависит от качества воды, характеристик взвеси, фильтрующего материала, толщины фильтрующего слоя и скорости фильтрования.

Значение уменьшается при увеличении скорости фильтрования, увеличении высоты фильтрующего слоя, уменьшении частиц фильтрующего материала.

Значение уменьшается при увеличении скорости фильтрования, уменьшении высоты фильтрующего слоя, увеличении частиц фильтрующего материала.

Размер частиц фильтрующего материала и толщину фильтрующего слоя подбирают таким образом, чтобы / =1, 3…1, 5.

Принципы работы скорых фильтров

Фильтры, работающие по принципу скорого фильтрования, или «скорые фильтры», широко применяются в практике очистки воды. Скорость фильтрования для этих фильтров принимается от 6 до 12 м/ч в зависимости от типа фильтров и крупности загрузки.

Скорые фильтры используют для осветления мутных и цветных вод после коагулирования и отстаивания, при умягчении, обезжелезивании и в некоторых других случаях.

Вода в процессе фильтрования может проходить через скорые фильтры:

1) самотеком – благодаря превышению уровня воды в фильтре над уровнем воды в резервуаре чистой воды (в который вода отводится);

2) под напором (обычно создаваемым насосами) – фильтры в этом случае устраиваются в виде закрытых напорных резервуаров.

В соответствии с этими принципами работы различают фильтры самотечные и напорные.

Осветление воды в самотечном фильтре

Обычные самотечные фильтры устраивают чаще всего в виде прямоугольных в плане железобетонных резервуаров (или металлических). На рисунке 7.6 (а и б) показаны схематически устройство и принцип работы скорого фильтра.

1 – дренажное устройство;

2 – слой поддерживающего материала (гравия);

3 – слой фильтрующего материала (песка);

4 – желоб;

5 – карман.

Рисунок 7.6 -Самотечный скорый фильтр

Фильтр работает следующим образом: вода подается в карман 5, из него через желоб 4 поступает в пространство над фильтрующим материалом, создавая столб воды. Под действием сил гравитации вода просачивается через фильтрующий материал 3, очищаясь от взвешенных частиц. Затем проходит слой гравия 4 и отводится при помощи дренажных устройств 5.

Пропускная способность фильтра определяется скоростью фильтрования (_Ф, т.е. скоростью вертикального движения воды через фильтрующий слой, м/ч:

где Q_ф – количество воды, проходящей через фильтр, м³/ч;

F_ф – площадь фильтра, м².

При промывке фильтр выключается из работы, промывочная вода подается снизу через дренажное устройство и проходит слой гравия и песка в обратном направлении. Затем промывочная вода отводится через желоб 4 и патрубок сброса промывочной воды.

При очитке фильтров очищенная вода подается со скоростью в несколько раз превышающей скорость фильтрации. Обратный поток воды встряхивает песок и интенсивно отмывает его от загрязнений практически за 5…7 минут.

Опыт эксплуатации скорых фильтров показывает, что их необходимо очищать 1-2 раза в сутки, а иногда и чаще.

Определение размеров фильтров

Площадь одного фильтра определяется по формуле:

где F_полн – требующаяся полная площадь фильтров, м²;

n – количество параллельно работающих фильтров, шт.

Количество параллельно работающих фильтров определяется по соотношению

,

а требуемая полная площадь фильтров по формуле:

,

где Q_сут – суточная расчетная потребность в воде снабжаемого объекта, м³/сутки;

– скорость фильтрования ( =Q_ф/F_ф), м³/ч;

q – расчетная интенсивность промывки фильтров, л/(с(м²);

– длительность одной промывки фильтра, ( =0, 09...0, 11ч);

– длительность перерывов в работе фильтра, ( =0, 33ч);

– длительность сброса первого фильтра после очередной промывки, ( =0, 17ч);

m – количество промывок одного фильтра в сутки.

Расчетная скорость фильтрования в зависимости от характера материала фильтрующего слоя и его высоты определяется в соответствии с рекомендациями СНиП.

Осветление воды в напорных фильтрах

После самотечных очистных сооружений в систему водоснабжения должна включаться насосная станция 2^го подъема. Применение напорных фильтров позволяет проводить через них воду под напором насосов станции 1^го подъема, т.е. исключить из системы станцию 2^го подъема и сократить капитальные и эксплуатационные затраты.

В системах технического водоснабжения очень часто применяют осветление воды только в фильтрах, что позволяет исключить очистку в отстойниках и осветлителях и даже коагулирование. В этих случаях применяют грубозернистые фильтры с повышенными скоростями фильтрования (10…15 м/ч).

Загрузка таких фильтров состоит из песка или дробленого антрацита с крупностью зерен от 0, 8 до 2, 5 мм. Увеличение крупности зерен регламентирует толщину фильтрующего слоя – 1, 5…3, 0 м. Эти фильтры необходимо часто промывать (одновременно с промывкой фильтры продувают воздухом, сокращая тем самым расход промывочной воды).

Осветление воды только в фильтрах позволяет создавать систему производственного водоснабжения без насосной станции 2^го подъема, т.е. сократить капитальные и эксплуатационные затраты. В этих случаях используют напорные фильтры. Они выполняются в виде стальных цилиндрических резервуаров, рассчитанных на заданное внутреннее давление, позволяющее подавать воду после фильтров к потребителю (рисунок 7.7). Внутри резервуаров размещаются элементы, аналогичные элементам самотечных фильтров.

1 – корпус фильтра;

2 – дырчатые трубы для подачи воды;

3 – фильтрующий материал;

4 – распределительная система для воздуха;

5 – нижний дырчатый коллектор для сбора фильтрата;

6 – штуцер для выпуска воздуха.

Рисунок 7.7 - Горизонтальный напорный фильтр

Потери напора в этих фильтрах не превышают 0, 06…0, 1 МПа. После прохождения фильтров остается еще достаточный напор для подачи воды в напорный резервуар, башню, либо непосредственно в сеть, снабжающую потребителей.

Изготовляются также напорные вертикальные фильтры. Наибольший диаметр изготавливаемых у нас вертикальных фильтров 3, 4 м, что соответствует фильтрующей площади " 9м². Толщина фильтрующего слоя для фильтров всех диаметров принята равной 1м.

Для станции большой производительности требуется значительное число таких фильтров, в этих случаях целесообразно устанавливать горизонтальные фильтры. Горизонтальные фильтры при том же диаметре могут дать значительно большую площадь фильтрования за счет увеличения длины корпуса.

7.1.3. Обеззараживание воды, уничтожение запахов и привкусов

Задачи обеззараживания

Отстаиванием и фильтрованием не достигается полная очистка воды от содержащихся в ней микроорганизмов. Поэтому в системах хозяйственно-питьевого назначения и в некоторых системах технологического назначения (пищевая, фармацевтическая и др. промышленности) для окончательного удаления микроорганизмов применяется обеззараживание (дезинфекция) воды.

В некоторых случаях дезинфекция применяется как единственная самостоятельная мера очистки воды (например, при использовании подземных вод, ненадежных с санитарной точки зрения).

Обеззараживание воды может быть осуществлено при помощи различных мероприятий: хлорирование, озонированием, бактерицидным облучением и другими.

В современной практике очистки воды наиболее широкое распространение получила ее дезинфекция путем хлорирования.

Хлорирование воды

Для хлорирования воды на очистных станциях систем водоснабжения используется жидкий хлор и хлорная известь. Хлорная известь используется для станций малой производительности.

Хлорирование воды жидким хлором. При введении хлора в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты:

Далее происходит диссоциация образовавшейся хлорноватистой кислоты:

Получающиеся в результате диссоциации HOCl гипохлоритные ионы OCl^- обладают наряду с недиссоциированными молекулами HOCl бактерицидным свойством.

Сумма Cl₂+HOCl+OСl называется свободным активным хлором.

Назначение дозы хлора является исключительно важным: недостаточная доза хлора приводит к тому, что он не оказывает необходимого бактерицидного действия; излишняя доза хлора ухудшает вкусовые качества воды.

Расчетная доза хлора при проектировании обеззараживающей установки должна приниматься исходя из необходимости очистки воды в период ее максимального загрязнения (например, в период паводков).

Показателем достаточности принятой дозы хлора служит наличие в воде остаточного хлора (остающегося в воде от введенной дозы после окисления находящихся в воде веществ). Согласно требованиям ГОСТ 2874-73, концентрация остаточного хлора в воде перед поступлением ее в сеть должна находится в пределах 0, 3...0, 5 мг/л.

За расчетную дозу следует принимать ту, которая обеспечит указанное количество остаточного хлора.

Для осветленной речной воды доза хлора обычно составляет 1, 5...3 мг/л, а при хлорировании подземных вод доза хлора обычно не превышает 1...1, 5 мг/л.

При введении хлора в воду необходимо организовать хорошее смешение его с водой. До подачи хлорированной воды потребителю должно предшествовать время контакта хлора с водой (не менее 30 минут). Это происходит обычно в резервуаре чистой воды.

Иногда применяют хлорирование перед поступлением воды на отстойнике (предварительное хлорирование), что способствует процессу коагуляции и снижению расхода коагулянта на самих очистных установках, а также поддержанию хорошего санитарного состояния на них.

Хлор поступает на станцию в металлических баллонах в сжиженном состоянии. Из баллонов хлор подается в воду через специальные приборы – хлораторы, в которых осуществляется его дозирование и смешивание с водой. Получаемая «хлорная вода» поступает в обрабатываемую воду.

Хлораторы

Существуют хлораторы различных типов. По времени функционирования различают хлораторы непрерывного действия, рассчитанные на непрерывную подачу определенных количеств газа в единицу времени, и хлораторы порционные, которые подают через некоторый промежуток времени определенную порцию газа.

Существуют хлораторы, автоматически меняющие количество подаваемого хлора при изменении расхода обрабатываемой воды.

Кроме того, различают хлораторы напорные и вакуумные.

Недостатком напорных хлораторов является возможность утечки из них хлора, являющегося ядовитым веществом, что представляет собой опасность для обслуживающего персонала. Эта опасность отсутствует в вакуумных хлораторах, которые и рекомендуются для практического использования в установках по обеззараживанию воды.

Проектирование и эксплуатация хлораторных установок

При проектировании и эксплуатации хлораторных установок необходимо учитывать требования, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала от вредного воздействия хлора.

Помещение хлораторной должно быть расположено на первом этаже фильтровальной или насосной станции, либо примыкать к ним, либо находится в отдельном здании.

В помещении хлораторной, примыкающей к зданию фильтровальной станции, должно быть две двери: одна – ведущая в помещении станции, другая – ведущая наружу. Двери должны герметически закрываться. В помещении хлораторной необходимо предусмотреть систему искусственной вытяжной вентиляции.

При расходовании установкой более трех баллонов жидкого хлора в сутки при хлораторной необходимо устроить склад баллонов, рассчитанный на хранение трехсуточного запаса хлора.

Озонирование воды

Обеззараживание воды с помощью озона получает в настоящее время широкое распространение.

Озонирование осуществляется пропуском через воду озонированного воздуха, т.е. воздуха, в котором кислород частично переведен в трехатомную форму (О₃).

Озон обеспечивает надежное обеззараживание воды. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с хлором:

1) Получается непосредственно на станции очистки воды;

2) Не ухудшает вкусовых качеств воды;

3) Не приводит к возникновению в ней запахов.

Озон токсичен: предельно-допустимое содержание его в воздухе помещений, где находятся люди 0, 00001 мг/л. следовательно, озоновые установки не должны пропускать озон в помещение.

Доза озона для обеззараживания воды колеблется в пределах от 0, 6 до 3, 5 мг/л в зависимости от свойств обрабатываемой воды.

Озон получается в озонаторах (генераторах озона) в результате тихого электрического разряда в подаваемом воздухе. Генераторы озона различных систем серийно изготовляются промышленностью.

Для смешения воды с озоном служат смесители, туда озон подается вместе с воздухом через распределительную систему. Контакт воды с мельчайшими пузырьками озона происходит в условиях противотока.

Опыт использования озона показывает возможность использования его для борьбы с вирусом, озонирование успешно используется также для обесцвечивания воды, борьбы с запахами и привкусами. Наконец, озонирование может использоваться для удаления из воды солей железа и марганца.

Бактерицидное облучение воды

Уничтожение бактерий, которые находятся в воде, может быть достигнуто путем обработки воды ультрафиолетовыми лучами.

Процесс обеззараживания воды бактерицидными лучами осуществляется на специальных установках. В этих установках вода тонким слоем обтекает источники бактерицидного излучения – ртутно - кварцевые или аргоно-ртутные лампы.

Обеззараживающие установки могут быть напорного и безнапорного типа, состоящие из нескольких (двух-пяти) последовательно соединенных камер. Производительность установки в зависимости от числа камер равна 30…150 м³/ч. конструкция установки допускает внутреннее давление до 0, 5 МПа.

Метод обеззараживания воды бактерицидными лучами имеет ряд преимуществ по сравнению с хлорированием:

1) Простота в эксплуатации установок;

2) Нет необходимости в применении реагентов;

3) Не ухудшаются вкусовые качества воды.

Стоимость обеззараживания воды бактерицидными лучами не дороже стоимости хлорирования.

К недостаткам метода следует отнести то, что установка эффективно может работать с водой, обладающей наибольшей проницательностью для лучей – с прозрачной водой. Для воды повышенной мутности и цветности невозможно использовать установки этого типа.

Удаление запахов и привкусов в воде

Наличие запахов и привкусов в природной воде обуславливается выделением пахнущих веществ микроорганизмами и водорослями.

Для удаления запахов и привкусов можно применять хлорирование. Если хлорирование воды проводится для обеззараживания, то уничтожение запахов и привкусов может быть произведено попутно.

Для уничтожения запахов и привкусов, вызываемых микроорганизмами, применяется также метод сорбционного фильтрования. Воду фильтруют через слой активированного угля. Объем загрузки фильтра из активированного угля составляет 0, 06…0, 12 м³ на 1 м³/ч фильтруемой воды.

Уничтожению привкусов и запахов природной воды может также способствовать введение в нее перманганата калия (0, 1..2 мг/л).

Запахи и привкусы в воде могут быть вызваны также наличием в ней некоторых неорганических веществ, например, сероводорода и железа. Уничтожение этих запахов и привкусов производится одновременно с процессами обезжелезивания воды и удаления из нее сероводорода.

Обезжелезивание воды

Наличие в воде большого количества железа придает ей неприятный привкус, делает ее непригодной для хозяйственно-проиводственного потребления и вызывает отложения в трубах водопроводной сети.

В соответствии с требованиями ГОСТ 2874-73 содержание железа в воде хозяйственно-питьевых водопроводов не должно превышать 0, 3 мг/л.

Некоторые производства предъявляют к воде еще более жесткие требования.

В подземных водах железо чаще всего встречается в растворенном состоянии в виде двууглекислого соединения Fe(HCO₃)₂.

В водах поверхностных источников железо может находится в виде органических соединений (гуминовокислое железо) или в виде сернокислого соединения FeSO₄.

Метод обезжелезивания зависит от формы содержания железа в воде.

Применяют следующие методы обезжелезивания:

- безреагентный, осуществляемый путем аэрации, отстаивания и фильтрования;

- реагентный (коагулирование, хлорирование, известкование);

- метод катионного обмена, применяемый в том случае, когда кроме обезжелезивания, необходимо умягчать воду с помощью катализаторов.

Правильно выбрать метод можно только пробным обезжелезиванием.

Из подземных вод двухвалентное железо выводит при помощи аэрации. Двууглекислое железо – нестойкое соединение, которое в контакте с воздухом легко распадается.

В результате реакции 1 мг гидролизовавшегося железа выделяется 1, 57 мг/л свободной углекислоты CO₂, щелочность воды при этом снижается на 0, 036 мг•экв/л. Эта реакция интенсивно протекает при аэрации, которая осуществляется путем разбрызгивания воды на контактных или вентиляторных градирнях. Образовавшийся гидрат закиси железа Fe(OH)₂, соединяясь с кислородом, превращается в коллоидную гидроокись железа Fe(OH)₃, которая при коагуляции превращается в окись железа Fe₂O₃•3H₂O, выпадающую в осадок в виде хлопьев.

Процесс обезжелезивания аэрацией зависит от рН воды, он протекает тем быстрее, чем выше рН. Для повышения рН воды необходимо удалять из нее углекислоту СО₂.

Метод обезжелезивания воды аэрацией является наиболее дешевым, так как не требует никаких реагентов.

Установки для обезжелезивания воды

Схема установки для обезжелезивания воды приведена на рисунке 7.8.

1 – контактная градирня;

2 – подающий трубопровод;

3 – распределительная система;

4 – контактный резервуар;

5 – трубопровод отвода воды из градирни;

6 – трубопровод;

7 – осветлительные фильтры;

8 – трубопровод фильтрированной воды;

9 – резервуар чистой воды.

Рисунок 7.8 - Обезжелезивающая установка с контактной градирней

Воду на градирню 1 подают по трубопроводу 2 через распределительную систему 3. В градирне вода обогащается кислородом, и из нее удаляется углекислота. Далее через трубопровод 5 вода сливается в контактный резервуар 4. В резервуаре 4 завершается процесс окисления двухвалентного железа в трехвалентное, его гидролиз и образование хлопьев.

Из контактного резервуара по трубопроводу 6 вода поступает на осветлительные фильтры 7, предназначенные для задержания хлопьев. Вода может поступать самотеком (если позволяет рельеф местности) или подаваться насосами. Фильтры могут быть открытыми или напорными.

Очищенная вода через трубопровод 8 поступает в резервуар чистой воды 9, из которого насосами 2^го подъема подается потребителям.

При расчете таких обезжелезивающих установок определяют площадь и выбирают загрузку контактной градирни, вычисляют емкость контактного резервуара и определяют площадь, количество и загрузку фильтров.

Обезжелезивающие установки с контактной градирней применяются при небольшой производительности водоочистной станции – до 75 м³/ч.

Если производительность водоочистной станции превышает 75 м³/ч, то аэрацию воды осуществляют на вентиляторной градирне.

В практике обезжелезивания подъемных вод широко распространен метод фильтрования с упрощенной аэрацией. При использовании этого метода аэрированная вода, обогащенная кислородом, сразу же подается на фильтр, минуя контактный резервуар. При этом реакция окисления двухвалентного железа происходит непосредственно в толще фильтрующего слоя на поверхности зерен загрузки.

Удаление из воды растворенных газов

Чаще всего в процессе водоподготовки требуется удаление углекислоты, кислорода и сероводорода.

Все три газа относятся к коррозийно-агрессивным газам. Углекислота, кроме того, агрессивна по отношению к бетону.

Свойство этих газов обуславливать и усиливать коррозионные процессы, а также неприятный запах, который сообщает воде сероводород, вызывает необходимость удаления их из воды.

Мероприятия, связанные с удалением из воды растворенных в ней газов, называются дегазацией воды.

Применяются химические и физические методы дегазации воды.

1. Сущность химических методов заключается в использовании определенных реагентов, которые связывают растворенные в воде газы.

Обескислороживание воды достигается введением в нее сульфита натрия (Na₂SO₃), сернистого газа (SO₂) или гидрозина (Na₂H₄).

Последний химический способ обескислороживания воды является самым совершенным, но и наиболее дорогим.

Химическим методам удаления из воды сероводорода является обработка ее хлором:

а) с окислением до серы

б) с окислением до сульфатов

Эти реакции протекают параллельно в определенных соотношениях, зависящих от дозы хлора и рН воды.

Химическим методам газоудаления свойственны следующие недостатки:

- применение реагентов удорожающих процесс обработки воды;

- возможность ухудшения качества воды при нарушении дозировки реагентов.

Поэтому чаще применяются физические методы газоудаления.

2. Физические методы газоудаления осуществляются двумя способами:

а) вода, содержащая удаляемый газ, приводится в соприкосновение с воздухом, если парциальное давление удаляемого газа в воздухе близко к нулю;

б) создаются условия, при которых растворимость газа в воде становится близкой к нулю.

При помощи первого способа, т.е. при помощи аэрации воды, обычно удаляется свободная углекислота и сероводород, поскольку парциальное давление этих газов в атмосферном воздухе близко к нулю.

Второй способ применяют обычно при удалении из воды кислорода, т.к. при значительном парциальном давлении кислорода в атмосферном воздухе аэрацией воды кислород из нее удалить нельзя.

Для удаления кислорода из воды ее доводят до кипения, при котором растворимость всех газов в воде падает до нуля. Вода доводится до кипения либо ее нагреванием (термические деаэраторы), либо понижением давления до такого значения, при котором вода кипит при данной температуре (вакуумные дегазаторы).

Дегазаторы

Удаление из воды растворенных газов в процессе водоподготовки осуществляется на дегазаторах разных типов, которые различаются:

- по их конструктивному исполнению;

- по характеру движения воды и воздуха;

- по обстановке, в которой происходит процесс дегазации.

Дегазаторы можно классифицировать следующим образом:

1. Пленочные дегазаторы. Представляют собой колонны, загруженные той или иной насадкой (кольцами Рашига, деревянной или другой), по которой вода стекает тонкой пленкой. Насадка обеспечивает большую поверхность соприкосновения воды и воздуха, нагнетаемого вентилятором навстречу потоку воды.

2. Барботажные дегазаторы. В дегазаторах этого типа через слой медленно движущейся воды продувается сжатый воздух.

3. Вакуумные дегазаторы. В них при помощи вакуум-насосов или водоструйных эжекторов создается такое давление, при котором вода кипит при данной температуре.

При водообработке в основном применяются пленочные дегазаторы. Для удаления кислорода из воды применяют вакуумные (или термические) дегазаторы. Барботажные дегазаторы применятся редко в виду больших затрат на их эксплуатацию (расход электроэнергии на компрессию воздуха).

Проектирование дегазаторов

При проектировании дегазаторов должны быть определены следующие величины:

- площадь поперечного сечения дегазатора;

- необходимый расход воздуха;

- площадь поверхности насадки, обеспечивающая заданный эффект дегазации.

Площадь поперечного сечения дегазаторов определяется по допустимой плотности орошения насадки, т.е. по расходу воды, приходящемуся на 1 м² площади поперечного сечения дегазатора.

При глубоком удалении из воды углекислоты (до 2…3 мг/л):

- на дегазаторах, загруженных кольцами Рашига (2, 5(25(3 мм), допустимая плотность орошения насадки 60 м³/(м²•ч), удельный расход воздуха 15 м³/м³ ;

- на дегазаторах, загруженных деревянной насадкой из досок, допустимая плотность орошения насадки 40 м³/(м²•ч), а удельный расход воздуха 20 м³/м³ ;

- при удалении кислорода из воды в вакуумных дегазаторах допустимая плотность орошения насадки 5 м³/(м²•ч).

Требуемая площадь поверхности насадок, загружаемых в дегазатор, определяется по следующей формуле (м²):

где G – количество удаленного газа, кг/ч;

K– коэффициент десорбции, равный количеству газа, удаляемого в единицу времени через единицу площади поверхности соприкосновения жидкой и газообразной сред при движущей силе процесса десорбции, равной единице, м/ч.

– средняя движущая сила процесса десорбции, кг/м³.

Величину G определяют по соотношению G= q • C_у/1000,

где q – расход обрабатываемой воды, м³/ч.

– расчетное количество углекислоты, которое нужно удалить для поднятия pH воды до 7, 5.

Значение k находят по графикам k= f(t_воды), а

C_max, C_опт – максимальная и оптимальная концентрации углекислоты, мг/л.

C_опт – определяется по номограмме.

7.2. Состав сооружений станций ХВО

Состав основных сооружений водоочистных станций выбирается в зависимости от качества исходной воды, а также производительности станций.

Примерный состав сооружений станций ХВО для хозяйственно-питьевых и технологических целей представлен в таблицах:

Таблица 7.1 - Примерный состав сооружений станций осветления и обесцвечивания воды для хозяйственно- питьевых целей

Таблица 7.2 - Примерный состав сооружений станций очистки воды для производственных нужд

В большинстве случаев станции ХВО располагают вблизи источника водоснабжения, следовательно, недалеко от НС I. По принципу перемещения воды в сооружениях станции различают самотечные и напорные системы.

Наибольшее распространение в практике водоочистки имеют схемы очистных сооружений с самотечным движением воды. Вода, поданная насосами I подъема, самотеком проходит все очистные сооружения и поступает в резервуар чистой воды, из которого забирается насосами II подъема.

7.3. Высотные схемы станций ХВО

Состав и технологическую схему работы самотечных систем обычно представляют в виде высотной схемы в профиле основных сооружений водоочистной станции (рисунок).

Высотную схему начинают составлять с наиболее низко расположенного сооружения – резервуара чистой воды. При определении отметок уровней воды в элементах сооружений водоочистной станции за начальную отметку принимают отметку поверхности земли площадки водоочистной станции z₁.

а – с вертикальными отстойниками и скорыми фильтрами;

б – с осветлителями и фильтрами;

в – с горизонтальными отстойниками и фильтрами.

1 – насосная станция I подъема;

2 – смесители;

3 – реагентное хозяйство;

4 – водоворотная камера хлопьеобразования;

5 – вертикальный отстойник;

6 – скорые фильтры;

7 – хлораторная;

8 – резервуары чистой воды;

9 - насосная станция II подъема;

10 – осветлители;

11 – камера хлопьеобразования;

12 – горизонтальные отстойники

Рисунок 7.9 – Высотные схемы технологических сооружений водоочистных станций

Отметку наивысшего уровня воды в РЧВ z₂ обычно назначают из экономических и санитарных соображений на 0, 5м выше отметки z₁. Затем, задаваясь потерями напора, определяют отметки уровней в отдельных сооружениях станции и соединительных коммуникациях между ними. Для ориентировочных расчетов эти потери можно принять следующими:

Таблица 7.3 – Потери напора для различных видов оборудования

Таблица 7.4 – Потери напора для различных видов коммуникаций

Для уменьшения стоимости строительства станции водоочистки ее отдельные сооружения следует приспосабливать к рельефу местности с учетом обеспечения незатопляемости площадки и возможности самотечного отвода сточных вод и осадков из всех сооружений.

Диаметры труб соединительных коммуникаций определяют в зависимости от величины расчетного расхода воды и допускаемых скоростей ее движения (таблица 7.5).

Таблица 7.5 - Значение допускаемых скоростей движения воды в соединительных коммуникациях станций

ЗАПАСНЫЕ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ ЕМКОСТИ

8.1 Назначение емкостей и их классификация

Емкости в системах водоснабжения предназначаются для хранения запасов воды, регулирования подачи и расхода воды и обеспечения необходимых напоров. В соответствии со сменой водоснабжения и расположением емкостей они могут выполнять одно или несколько назначений.

Емкости (резервуары), используемые в системах водоснабжения, разделяют следующим образом:

1. по назначению – на регулирующие, запасные и комбинированные (регулирующие и запасные);

2. по способу подачи воды в сеть – на напорные (водонапорные башни, напорные резервуары, водонапорные колонны, пневматические водонапорные установки) и безнапорные (подземные резервуары);

3. по материалу – на железобетонные, кирпичные и стальные.

Выбирать место расположения, тип и объем емкостей следует на основании расчетов совместной работы их с насосными станциями, водоводами и сетью, учитывая местные условия и технологические требования.

В емкостях в зависимости от их назначения должны находиться регулирующий, неприкосновенный противопожарный и аварийный запасы воды.

8.2 Водонапорные башни

8.2.1 Назначение водонапорных башен. Их устройство

Водонапорные башни предназначены для хранения регулирующих и противопожарных запасов воды, а также для поддержания и создания в сети необходимых напоров.

Водонапорная башня состоит из строительных и монтажных элементов. К строительным элементам относятся: фундамент башни, ствол, бак (резервуар), шатер. Шатер монтируется так, что он закрывает полностью резервуар. К монтажным элементам относятся: система водопроводов, арматура, вспомогательные монтажные детали.

Водонапорные башни допускается проектировать с шатром или без шатра в зависимости от режима работы башни, величины емкости бака, климатических условий и температуры воды в источнике. Шатер предохраняет бак от воздействия температуры наружного воздуха. Расстояние между станками шатра и бака a 0, 7…0, 8м. Бесшатровые металлические башни могут быть как с теплоизоляцией, так и без нее.

Без теплоизолирующей обшивки стенок бака бесшатровые водонапорные башни эксплуатируют в следующих случаях. Когда вода подается из подземных источников при минимальной температуре воздуха не ниже –25⁰С и при обмене воды не менее одного раза в сутки в случае, когда вода подается из открытых источников при минимальной температуре воздуха не ниже –15⁰С и обмене воды в баке не менее двух раз в сутки.

При использовании подземных вод и водообмене в баке не менее двух раз в сутки шатер башни не отапливают. При использовании поверхностных вод в условиях возможной температуры воздуха ниже –20⁰С их утепляют и используют электроподогрев.

8.2.2 Определение объема бака башни

Полный объем бака башни определяют по формуле

где V_р – регулирующий объем воды в баке, м³;

V_пр – неприкосновенный противопожарный запас воды в баке, м³.

8.2.3 Определение регулирующего объема

Регулирующий объем определяют путем совмещения графиков водопотребления и подачи питающих башню насосов. После выбора оптимального графика работы насосов этот объем определяют по формуле

где Q_р.сут – расчетный суточный расход воды, м³/сут;

d_и, d_н – наибольшие ординаты между линиями водопотребления и подачи воды насосами соответственно по избытку и недостаче, % от Q_р.сут.

С учетом способности центробежных насосов к саморегулированию (увеличивать подачу воды при уменьшении напора и, наоборот, уменьшать подачу при увеличении Н) рекомендуется уменьшать регулирующую емкость бака башни по сравнению со значением, вычисленным по формуле:

- при расположении башни в начале сети (сети с проходной башней) – на 10…15%;

- для сети с контррезервуаром – на 30…40%.

8.2.4 Определение противопожарного запаса воды

Неприкосновенный противопожарный запас воды в баке башни определяется по формуле

где Q_р.с - расчетный секундный (максимальный) расход воды из водопроводной сети, л/с;

Q_п – расчетный секундный (максимальный) расход воды из сети на 10-минутную продолжительность тушения пожаров спринклерными или дреичерными установками.

8.2.5 Оборудование водонапорных башен

После определения величин V_б и Н_б принимают размеры типовой водонапорной башни. Для большинства водонапорных башен отношение высоты бака к диаметру H/D = 0, 5…1.

Водонапорная башня должна быть оборудована трубопроводами и арматурой. Трубы применяются стальные. Диаметры подводящих и отводящих труб (стояков) определяют в зависимости от расхода и допускаемой скорости, которая не должна превышать 1…1, 2 м/с.

Диаметр переливной трубы d_пер принимают обычно на 2…3 сортамента меньше диаметра подающей трубы d_под, но исходя из условия пропуска разности расходов воды, поступающей и забираемой из бака.

Водонапорные башни оборудуют сигнализирующими устройствами для автоматической передачи показаний уровней воды в баке на насосные станции. В качестве таких устройств наиболее распространены поплавковые, контактные и манометрические датчики уровней, которые в зависимости от уровней воды в баке замыкают и размыкают электрическую цепь. Их используют для автоматического пуска и останова насосов, питающих водопроводную сеть.

При автоматизации работы насосов, подающих воду в башню, регулирующий объем воды в баке определяют по формуле

где Q_н - средняя подача насосов за период между включением и отключением, м³/ч;

n - количество включений насоса в час.

Оптимальное число включений насосов устанавливается на основании технико-экономических расчетов. Ориентировочно можно принимать n = 5; 6.

Подкачивающие насосы подбирают по расходу

где Q_мах - максимальное водопотребление из сети, м³/ч;

Q_нс2 – подача насосов 2^го подъема в этот час, м³/ч.

8.3 Резервуары

Резервуары предназначены для хранения хозяйственных, противопожарных, технологических и аварийных запасов воды.

8.3.1 Типы резервуаров

В зависимости от конструкции и принципа работы они бывают следующих типов:

1. по форме – круглые (горизонтальные, вертикальные) и прямоугольные;

2. по степени заглубления – подземные и полуподземные;

3. по материалу – железобетонные и бетонные;

4. по наличию перекрытия – открытые и закрытые;

5. по способу поступления воды из них – безнапорные и напорные.

8.3.2 Назначение резервуаров

Напорные резервуары располагают на высоких отметках местности, он выполняют ту же роль, что и водонапорные башни.

Безнапорные резервуары устраивают, главным образом, при водоочистных станциях, это резервуары чистой воды (РЧВ). Воду из них забирают насосами 2^го подъема и подают в водопроводную сеть.

Для обеспечения надежности водоснабжения в системах крупных водопроводов необходимо устраивать несколько резервуаров (обычно не менее двух), дающих в сумме расчетную емкость.

8.3.3 Определение объема подземных резервуаров

Объем подземных резервуаров, расположенных при водоочистной станции, определяют по формуле

,

где V_p – регулирующая емкость, определяемая совмещением графика поступления воды в резервуар с очистной станции и графика работы насосной станции 2^го подъема, м³;

V_пож – неприкосновенный противопожарный запас воды, рассчитанный на тушение расчетного количества пожаров в течение 3 или 2 ч, с ее одновременной подачей на хозяйственно-питьевые и производственные нужды в течение трех смежных часов наибольшего расхода по графику водопотребления, м³;

V_оч – объем воды на собственные нужды водоочистной станции, м³.

Регулирующую емкость V_p можно определить по формуле

,

где Q_р.сут – расчетный суточный расход воды, потребляемой из водопроводной сети, м³/ч;

V₁, V₂ – суммы объемов воды, аккумулирующейся в РЧВ и расходуемой из него в течение суток соответственно, % от Q_р.сут.

Если графики поступления воды в РЧВ и воды из него совпадают, то V_p = 0. В этом случае предусматривают запас воды

При определении V_пож для бесперебойности подачи воды в резервуары из водоисточников или очистной станции допускается учитывать их пополнение во время пожаров. Поэтому, величину V_пож определяют по формуле

где Q_пож – расход воды на тушение расчетного количества одновременных пожаров, л/с;

Q₁ – расход воды, подаваемой в резервуары при тушении пожаров, м³/ч.

Объем воды, потребляемый за три смежных часа наибольшего водопотребления на производственные и хозяйственно-питьевые нужды во время тушения пожаров

где – объем воды, потребляемый из сети в течение 3 смежных часов наибольшего расхода по графику водопотребления;

– объем воды, не учитываемый в течение трех часов тушения пожаров.

Объем воды в резервуаре на собственные нужды водоочистной станции V_оч рассчитывается на 2 промывки при промывке одного фильтра или на 3 промывки при одновременной промывке двух фильтров. Величину V_оч определяют после расчета водоочистной станции с учетом типа и площади фильтров, а также интенсивности и продолжительности их промывки.

Ориентировочно величину V_оч можно принять равной

.

9. ВОДОВОДЫ И ВОДОПРОВОДНЫЕ СЕТИ

9.1. Водоводы

Водоводы предназначены для транспортирования воды от водоисточника до объекта водоснабжения.

9.1.1. Типы водоводов и их устройство

Водоводы подразделяются на напорные, самотечные и комбинированные. В напорных водоводах подача воды осуществляется насосом, в самотечных – самотеком под действием сил тяжести. Комбинированный водовод состоит из напорных и самотечных водоводов.

Тип водовода выбирают в зависимости от типа водоисточника, удаленности его от объекта водоснабжения, топографических условий и расхода транспортируемой воды.

Рассмотрим схемы напорного и самотечного водоводов (рисунок, а и рисунок).

а) напорный водовод;

б)самотечно-напорный водовод.

1– резервуар;

2 – насосная станция;

3 – напорный водовод;

4 – водонапорная башня;

5 – линия гидростатического напора;

6 – линия гидродинамического напора;

7 – подземный напорный резервуар;

8 – камера переключения;

9 – самотечно-напорный водовод.

Рисунок 9.1 – Расчетные схемы водоводов

По напорным водоводам (рисунок 9.1, а) воду подают из питающего резервуара с меньшей отметки его свободной поверхности z₁ в питательный резервуар на высоту z₂. Для этих водоводов линия гидродинамического напора всегда будет находится выше линии гидростатического напора.

В самотечных водоводах (рисунок 9.1, б) отметка уровня воды в питающем резервуаре больше отметок в питаемом на величину располагаемого напора Н=z₁ - z₂. Для этих водоводов линия гидродинамического напора всегда будет находится ниже линии гидростатического напора.

Напорный и самотечный водоводы работают полным сечением, самотечно-безнапорный – неполным.

Водоводы являются ответственными элементами в системе, к ним предъявляются 2 основных требования: экономичность и надежность подачи воды потребителям.

Для обеспечения безперебойности работы водоводы укладываются обычно в две нитки, которые часто соединяют переключениями, позволяющими выключить на ремонт какой-либо участок в случае аварии на нем.

Допускается укладка водовода в одну нитку при значительной его длине и технико-экономическом обосновании. Если водовод проектируют в одну нитку, необходимо предусмотреть устройства запасных резервуаров (в конце водовода).

Водоводы укладывают из стальных, чугунных асбестоцементных и железобетонных труб. Для предохранения одного трубопровода от разлива в случае аварии на втором расстояние между нитками водовода l принимают в зависимости от материала труб, внутреннего давления и геологических условий следующим образом:

- при диаметре труб до 300 мм – l 0, 7м;

- при 400(d (1000мм – l = 1м;

- при d(1000мм – l = 1, 5м.

Трубы должны быть уложены на глубине, обеспечивающей незамерзаемость воды зимой, исключающей возможность не допускающей нагревание ее летом и предупреждающей повреждение труб под нагрузками от движущегося транспорта.

Для обеспечения незамерзаемости глубина укладки труб (считая до дна траншеи) должна быть на 0, 5м больше расчетной глубины проникания в грунт нулевой температуры:

(9.1)

За расчетную принимают максимальную глубину проникновения в грунт нулевой температуры Н_пр, определяемую на основании многолетних наблюдений. Для предупреждения нагревания воды в летнее время глубину заложения труб хозяйственно-питьевых водопроводов следует принимать не менее 0, 5м, считая от верха труб.

Выбор диаметров труб

Экономически наивыгоднейший диаметр труб напорных водоводов считается такой, при котором приведенные затраты по комплексу взаимосвязанных сооружений «Насосная станция и водовод» будут наименьшими.

Экономически наивыгоднейшим диаметром труб самотечно-напорного водовода считается такой (или комбинация из двух диаметров), которому соответствует наименьшая стоимость водовода при условии обеспечения требуемого напора в его концевой точке. Это условие выполняется при полном использовании располагаемого напора Н.

9.1.2. Совместная работа насосов и водоводов

Совместная работа насосов и водоводов возможна лишь в том случае, если развиваемый насосами напор Н_н, соответствующий их производительности Q_н, будет равен полной высоте водоподъема Н_п, определяемой по формуле (рисунок 9.2 а):

(9.2)

где Н_г – геометрическая высота водоподъема, измеряемая между уровнями воды в питающем (z₁) и напорном (z₂) резервуарах, м;

h_к и h_в – потери напора в коммуникациях насосной станции и водоводе соответственно, м;

Q_н – расход воды, подаваемый насосом, (м³/с) л/с;

S_к и S_в - сопротивления коммуникаций насосной станции и водовода, .

Рассчитать совместную работу насосов и водоводов можно двумя способами: графическим и аналитическим.

Рассчитаем совместную работу насосов и водоводов графическим способом. Для этого на координатную сетку нанесем характеристику насоса Q-H (кривая 1) и по формуле строим характеристику Q-h водоводов (кривая 2).

Координата точки пересечения этих двух кривых определяет значения подаваемого насосом расхода Q_н и развиваемого при этом напора Н_н.

1 – характеристика Q-H центробежного насоса;

2 – характеристика водопроводной системы.

Рисунок 9.2 – График совместной работы насосов и водоводов

При втором способе характеристики Q-H насосов и трубопроводов представляют аналитическими выражениями:

для насосов

(9.3)

для трубопроводов – уравнением (9.2).

Приравняв правые части выражений (9.2) и (9.3), после преобразований получим формулу для определения расхода воды

(9.4)

где Н_ф и S_ф – параметры аналитической характеристики Q-H центробежных насосов, величину которых можно вычислить по формулам

(9.5)

(9.6)

где Н₁ и Н₂ – напоры, развиваемые насосом при подаче соответственно Q₁ и Q₂ (принимаются по справочным данным).

9.1.3. Оборудование водоводов

1).Переключения на водоводах. Количество переключений на водоводах определяют расчетом из условий подачи аварийного расхода (л/с):

(9.7)

где k_сн – коэффициент допустимого снижения подачи воды при аварии;

Q_н - подача воды насосами при нормальной работе водовода, л/с.

Количество переключений, устанавливаемых на водоводе, определяется так:

(9.8)

где n – число участков, на которые разделена перемычками каждая нитка водовода (определяется по разным соотношениям для напорного и для самотечно-напорного водовода).

2). Дополнительные линии. Если требуется увеличить подачу воды по водоводу от существующей насосной станции с известными характеристиками за счет прокладки дополнительной линии, то задача сводится к определению длины или диаметра этой линии.

Как правило, дополнительно прокладываемый трубопровод имеет такую же длину L, как существующие линии водовода. Поэтому необходимо лишь определить диаметр дополнительного трубопровода.