Лекція 4. Попереднє очищення води при забиранні її з поверхневих джерел

Зміст лекції:

1.Методи захисту водозаборів від домішок у воді

2.Попереднє механічне очищення води на водозаборах

3.Конструкції компактних сітчастих установок на водозаборах

4.1. Методи захисту водозаборів від домішок у воді

Заходи із захисту водозаборів від домішок, що містяться у воді, можуть бути реалізовані методами, вибір яких залежить від місцевих умов, природи і складу домішок у воді (табл. 4.1).

Таблиця 4.1. Методи захисту ВЗС від домішок у воді

Методи	Д о м і ш к и у в о д і
	Наноси і сміття	Шуга	Гідробіонти
Прояснювальні	+	+	+
Відгороджувальні	+	+	+
Регулювальні	+	+
Профілактичні	+	+
Вибір місця ВЗС	+	+	+
Реагентні			+
Термічні		+	+

Прояснювальні методи (методи механічного очищення води) є найбільш досконалі і універсальні, тобто можуть бути застосовані для захисту водозаборів від усіх можливих видів механічних домішок у воді поверхневого джерела.

Відгороджувальні методи ґрунтуються на відгороджуванні шарів води джерела із значною концентрацією домішок від водоприймача (відбійними козирками, забральними стінками, протипланктонними екранами, шуговідбійними і рибозахисними запанями (рис. 4.1)).

Регулювання русла для захисту ВЗС від наносів і шуги може здійснюватись встановленням в потоці на різній глибині напрямних щитів, що створюють певні токи води, які спрямовують рух наносів або шуги вбік від водозабору. Прикладом таких регулювальних засобів є щити М.В.Потапова (рис. 4.2), які створюють штучну поперечну циркуляцію води в руслі біля ВЗС.

Профілактичні методи також ґрунтуються на створенні у джерелі структури течії, сприятливої для транзитного руху домішок мимо водозабору, але на відміну від регулювальних методів не передбачають встановлення штучних пристроїв (щитів, дамб тощо), а реалізуються шляхом розчищення, спрямлення, заглиблення або укріплення русла.

Правильний вибір місця ВЗС у водному джерелі у плановому й висотному відношенні проводиться на стадії проектування водозабору і розглядається в курсі дисципліни «Водозабірні споруди».

Реагентні методи застосовують для боротьби з гідробіонтами (фіто- та зоопланктоном, біообростувачами) і здійснюються як правило купоросуванням або хлоруванням води. Ефективним і доступним засобом упередження обростання поверхонь водозабору молюском д р е й с е н о ю є введення рідкого хлору з концентрацією 0,5…1,5 мг/л перед водоприймальними отворами на відстані 30…40 см від сміттєзатримувальних решіток (рис. 4.3). Розмноження і розвиток личинок дрейсени припиняється при концентрації хлору у воді 0,3 мг/л.

При термічних методах боротьби з внутрішньоводним льодом підвищують температуру води джерела біля водоприймача скиданням у неї гарячої води, підняттям стиснутим повітрям взимку прогрітих глибинних шарів, контактом з нагрітими електрострумом, парою, водою елементами споруд (решітками). Молюски (дрейсени і мідії) гинуть при температурі води 35…40°С.

а) б)

Рис. 4.1. Наплавні запані: а)конструкція; б) схема розташування біля водоприймача: 1 – понтон з труб, заповнених повітрям; 2 – дерев’яний настил; 3 – дерев’яний щит; 4 – акваторія джерела; 5 – водоприймач; 6 – самопливні лінії; 7 – система понтонів; 8 - якоря

Рис. 4.2. Утворення поперечної циркуляції потоку встановлення напрямних щитів М.В.Потапова: 1 – русло річки; 2 – водоприймач: 3 – система плаваючих струмененапрямних щитів; 4 – поверхневі токи; 5 – донні токи з донними наносами; 6 – кріплення берегу

Рис.4.3.Схема хлорування

води на водозаборі:1-бочки

з хлором; 2-танк-випарову-

вач; 3-ротаметр; 4-ежектор;

5-водопровідна труба; 6-

шланг для подачі хлорної

води; 7 –футляр з труби; 8-

водоприймач

4.2. Попереднє механічне очищення води

на водозаборах

Механічне очищення води на водозаборах розглядається як складова частина загальних заходів щодо забору води найкращої якості. Для систем господарсько-питного водопостачання воно є попередньою стадією поліпшення якості води перед подачею її споживачам.

При механічному очищенні води на водозаборах з неї вилучається достатньо широкий за походженням спектр домішок: включення мінерального походження (глинисті та піщані частки), включення органічного походження (залишки рослин, тварин, злаків, кислоти, нафтопродукти), гідробіонти (фітопланктон, зоопланктон, риба), кристали внутрішньоводного льоду. За розміром затримуються включення від грубодисперсних часток і частково навіть колоїдних суспензій ( 0.1 мкм) до крупних плаваючих тіл.

Механічне очищення на водозаборах має як допоміжне так і самостійне значення. Допоміжне значення його (для водозаборів систем господарсько-питного водопостачання та інших СВ з наступним очищенням води на спеціальних ВОС) полягає в зниженні навантаження на очисні споруди і підвищенні їх ТЕП (збільшення фільтроциклу фільтрів, зменшення об’єму шламу тощо). Самостійне значення механічного очищення води на водозаборах полягає у наступному: поліпшується санітарний стан і підвищується надійність роботи водозабору і всієї СВ; відбувається запобігання абразивному зношенню лопаток насосів І підняття; при використанні засобу механічного очищення як

рибозахисного пристрою відбувається захист рибної молоді; для деяких систем виробничого водопостачання на водозаборах проводиться остаточне очищення води при відмовленні від спеціальних ВОС.

Механічне очищення води на водозаборах здійснюється шляхом реалізації таких процесів як відстоювання (затримання часток під дією сил тяжіння), сепарування (затримання часток під дією сил інерції), фільтрування (затримання часток під дією сил адгезії та як перешкода). Відповідно засобами механічного очищення води на водозаборах є засоби відстоювання, сепарування і фільтрування.

Під час реконструкції водозаборів при необхідності переходять на технологічні схеми, які включають засоби для механічного очищення води.

Відстоювання води на водозаборах

При відстоюванні затримаються частки з густиною, більшою за густину води. Осадження часток відбувається під дією сили тяжіння P=(-_o) gW, де ,_о, g - відповідно щільність речовини частки та води і прискорення вільного падіння; W – об’єм частки.

В деяких випадках при заборі річкової води для її відстоювання використовують заплавні водоймища, що живляться водою, яка інфільтрується з річки.

На рис. 4.4 ілюструється забір води з водосховища, яке поповнюється з річки спеціальним тунелем. Специфічне планове розташування випусків води у водосховище і водоприймачів приводить до появи у джерелі структури течії, яка сприяє скорішому осадженню наносів. Осадження завислих твердих часток відбувається також в підвідних каналах та ковшах.

При великому вмісті в водному джерелі твердих часток мінерального походження в складі водозабору передбачаються спеціальні попередні відстійники, які можуть бути як вбудовані у ВЗС, так і розташовуватись безпосередньо за ними. В деяких випадках попереднє відстоювання є достатнім для виробничого водопостачання. Для господарсько-питного водопостачання глибоке прояснення води досягається на ВОС при вторинному відстоюванні зкоагульованої зависі з наступним фільтруванням. Попередні відстійники на водозаборах повинні: затримувати 80...90% часток заданої гідравлічної крупності; концентрувати наноси, що осіли, для полегшення їх наступного видалення; видаляти наноси з найменшими витратами енергії та води; при наявності шуги у невеликій кількості забезпечувати її скидання у водне джерело. За принципом дії та конструктивними особливостями попередні відстійники можуть бути горизонтальні, вертикальні, радіальні, тонкошарові. Тип попереднього відстійника на водозаборі залежить від гідрологічного режиму водного джерела, продуктивності та компонування ВЗС.

Рис.4.4. Річковий водозабір

з використанням водоймища

із системою водовипусків і

водоприймачів: 1- береговий

річковий водозабір, суміще-

ний з НС-I; 2 – самопливний

тунель для подачі води у во-

доймище;3 – оголовки водо-

випусків; 4 – оголовки водо-

приймачів у водоймищі; 5 –

тунель для відведення води з

водоймища; 6 – напірні тру-

бопроводи

В малих водосховищах і ставках в період повені вода може вміщувати велику кількість завислих і плаваючих речовин, внаслідок чого виникає необхідність її додаткового очищення. Тому в комплекс водозабору інколи включають спеціальні споруди, які дозволяють суміщати технології відбирання та очищення води. На рис.4.5 наведено пригребельний водозабір з вбудованим шлюзом-відстійником. Шлюз-відстійник має дві або три секції з поверхневим шляховим відбиранням проясненої води. Секції мають водозбірні камери, вода з яких відводиться самопливом або відбирається насосами (в останньому випадку НС-1 вбудовується у тіло греблі). Водоприймальні вікна, що виконують роль вхідних отворів відстійника як правило перекриваються шиберами, решітками і сітками. Кожна камера відстійника має систему шляхового

Рис.4.5. Пригребельний водозабір із вбудованими водоочисними спорудами: а) ситуаційний план; б) водоочисний блок: 1 – земляна гребля; 2 – водоприймальні отвори з решітками і сітками; 3 – водоскид; 4 – двохсекційний горизонтальний відстійник; 5 – перегородка; 6 – водозбірна камера; 7 – трубопровід подачі очищеної води; 8 – короба із напівзануреними бортами; 9 – водозбірні жолоби; 10 – трубопроводи для скидання осаду

відбирання води, що зроблена у вигляді лотків або дірчастих труб, закритих зверху перевернутим жолобом із заглибленими у воду бортами. Така система водовідбирання повністю виключає потрапляння у водопровід плаваючих речовин.

Видалення наносів з відстійників здійснюється без зупинки водозабору. Для цього днище відстійника виконується з похилом у напрямку руху води, а в його торцевій стінці роблять придонні отвори з шиберами або скидні трубопроводи з засувками. Кожна секція промивається окремо. Шляхом опускання шибера на вході в секцію при відкритих водоскидних отворах рівень води у ній знижується і утворюється придонний потік з великою розмиваючою і транспортуючою спроможністю, що забезпечує скидання осаду.

Сепарування води на водозаборах

В об’ємі, що обертається, при значних швидкостях обертання на частки діють великі відцентрові сили, які відносять їх у радіальному напрямку від осі обертання (P=(-_o) JW, де - прискорення при дії відцентрової сил). При достатньо швидкому обертанні і невеликих радіусах можуть бути отриманні прискорення, які значно перевищують прискорення вільного падіння g. Швидкість руху часток у відцентровому полі може в сотні разів перевищувати швидкість осадження еквівалентних часток у гравітаційному.

Процес сепарування (розділення) здійснюється під дією різниці значень відцентрової сили для твердої та рідкої фази, що виникає внаслідок інтенсивного обертання маси води при тангенційному її підведенні. Цей процес здійснюється у гідроциклонах.

Гідроциклон являє собою циліндричний корпус з витягнутим конічним днищем. Вода у ньому подається через тангенційно розташований підвідний патрубок. При обертанні об’єму рідини відбувається швидке переміщення часток зависі (достатньо густих і великих) від центра до периферії. Пересування твердих часток до стінки апарата відбувається з швидкістю руху води, що дорівнює різниці між швидкістю, яка виникає під дією відцентрової сили, і радіальною швидкістю до центру. Частки, відкинуті до стінки гідроциклона, сповзають по ній в конічне днище, з якого видаляються через водовипуск. Прояснена вода відводиться з центру корпусу через зливний патрубок, розташований коаксіально до корпусу.

Ефект роботи гідроциклонів залежить від швидкості і відповідно від тиску у підвідних лініях. На ВОС вода до гідроциклонів підводиться під тиском 0.05...0.3 МПа зі швидкістю 4...15 м/с. На водозаборах гідроциклони влаштовують на всмоктувальних лініях насосів (рис. 4.6) і рух води у них здійснюється під дією різниці тисків у джерелі і всмоктувальній лінії.

Рис. 4.6. Встановлення гідроциклону на водозаборі: 1 – джерело; 2 – гідроциклон; 3 – підвідна лінія; 4 – пульповід; 5 – гідроелеватор; 6 – всмоктувальна лінія; 7 – НС-I

У гідроциклонах забезпечується видалення піску та інших мінеральних часток з d > 0.1...0.15 мм густиною   1.2 г/см³. Як водоочисний пристрій у порівнянні з відстійниками гідроциклони мають такі переваги: при однаковому ефекті очищення води питома продуктивність гідроциклонів /продуктивність, віднесена до площі робочої частини/ є значно більшою; видалення шламу з гідроциклонів відбувається одночасно з проясненням води і не потребує спеціального обладнання; ефект прояснення збільшується із збільшенням навантаження по воді, що дозволяє обходитись без резервування на випадок ремонту. В порівнянні з обертовими та барабанними водоочисними сітками гідроциклони не мають частин, що обертаються. Але при використанні гідроциклонів слід мати на увазі, що вони ефективно затримують тільки частки, густина яких перевищує густину води а також зважувати на достатньо велику енергоємність гідроциклонів (знижується продуктивність НС-1 за рахунок витрати води з пульпою та забезпечення роботи гідроелеватора, на який витрачається 3...6% Q_в). Гідроциклони на водозаборах доцільно використовувати при заборі води з джерел, що містять значну кількість твердих мінеральних часток.

Принцип сепарування на водозаборах використовується також у вихрових камерах водоприймачів

Фільтрування води на водозаборах

Фільтрування води (процес відділення від води твердої фази) на водозаборах здійснюється шляхом пропускання її крізь сміттєзатримувальні решітки та сітки різних конструкцій, в тому числі рибозахисні, перфоровані щити та сита, фільтри з робочим органом у вигляді тканини або штучного насипного та монолітного пористого матеріалів, шар природного ґрунту.

Засоби фільтрування є найбільш досконалими засобами захисту водозаборів від домішок у воді та крім попереднього механічного очищення води (сміттезатримування) можуть забезпечувати ефективний рибозахист.

У важких природних умовах забирання води здійснюють її фільтрування шляхом пропускання через штучний або природний поруватий матеріал в технологічних схемах фільтруючих, комбінованих та інфільтраційних водозаборів, які розглядаються в курсі дисципліни «Водозабірні споруди». Інфільтраційний водозабір з використанням старика річки наведено на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Плавучий водозабір на старику: 1 – основне русло річки; 2 – старик; 3 – плавучий водозабір; 4 – берегова НС; 5,6 – дзеркало ґрунтових вод відповідно в природних умовах та при роботі водозабору

Для попереднього механічного очищення води на водозаборах традиційно застосовують сітки різних конструкцій: плоскі знімні, стрічкові обертові, мікрофільтри та барабанні сітки, що діють за принципом мікрофільтрів. Такі сітки встановлюються в умовах їх раціонального застосування і забезпечують надійне затримання домішок заданої крупності і достатньо просту регенерацію сітчастого полотна. Спільним їх недоліком є неможливість забезпечення екологічного аспекту рибозахисту, тобто запобігання потраплянню дорослих риб і рибної молоді у водопровідні споруди без їх травмування і загибелі.

Такого недоліку позбавлені компактні сітчасті установки: конусні сітчасті фільтри (КСФ) і сітчасті барабани (СБ). У таких установках забезпечується відносний рух сітчастого полотна і промивного пристрою, затоплені струмені якого відштовхують від сітки частки забруднень і мальків, не травмуючи останніх.