Учебное пособие 800534

Рис. 20. Схема однопоточного скорого фильтра

90

Толщина слоя загрузки принимается не менее 2 м. Потери напора в заиленной загрузке не должны превосходить толщину ее слоя. Толщина слоя гравия 0,35 м.

Промывка загрузки осуществляется также подачей воды снизу вверх. Интенсивность промывки составляет 13— 15 л/(с∙м2), а объем промывной воды (при наибольшей допустимой мутности исходной воды) — 15 % объема осветляемой воды. Уменьшение расхода промывной воды достигается применением продувки загрузки сжатым воздухом.

Грубозернистые сверхскоростные фильтры. В ряде случаев речная вода, подаваемая для производственных целей, требует предварительного осветления, хотя и не столь тщательного, как вода, подаваемая в сеть хозяйственно-питьевых водопроводов. Осветление технической воды нередко осуществляют путем фильтрования ее на «грубозернистых» фильтрах (без предварительного отстаивания и без коагулирования) с повышенными скоростями фильтрования (при мутности исходной воды до 300 мг/л). Загрузка таких фильтров состоит из песка или дробленого антрацита с крупностью зерен от 0,8 до 2,5 мм. Увеличение крупности зерен требует одновременного увеличения и толщины слоя фильтрующего материала, так как содержащиеся в воде взвешенные вещества проникают в толщу грубозернистого фильтра значительно глубже, чем в толщу мелкозернистой фильтрующей среды. При указанной крупности зерен необходимая толщина слоя фильтрующего материала лежит в пределах от 1,5 до 3 м. Скорость фильтрования на грубозернистых фильтрах составляет 10—15 м/ч. Верхние пределы толщины фильтрующего слоя и скорости фильтрования относятся к наиболее крупнозернистой загрузке. Применение песка значительной крупности позволяет уменьшить толщину поддерживающих слоев или вообще обойтись без них.

Грубозернистые фильтры по сравнению с обычными требуют значительного увеличения интенсивности промывки. Для сокращения расхода промывной воды применяют одновременную продувку грубозернистых фильтров воздухом.

91

Напорные фильтры. Все до сих пор рассмотренные сооружения очистки воды по принципу своей работы являлись самотечными. Поэтому после таких очистных сооружений в систему водоснабжения должна включаться насосная станция второго подъема, а вода подвергаться двойной перекачке.

Применение напорных очистных сооружений, т.е. сооружений, позволяющих проводить через них очищаемую воду под напором насосов (станции первого подъема), дает возможность исключить из системы водоснабжения насосную станцию второго подъема, что значительно сокращает как строительные, так и эксплуатационные расходы. Напорные фильтры находят широкое применение в системах производственных водопроводов, где часто требуемая степень осветления может быть достигнута при помощи одного фильтрования, что позволяет исключить предварительные стадии очистки воды в отстойниках или осветлителях, а иногда и коагулирование.

Как сказано, через напорные фильтры вода пропускается под определенным напором. При этом после прохождения фильтров остается еще достаточный напор для подачи воды в напорный резервуар, башню либо непосредственно в сеть, снабжающую потребителей.

Напорные фильтры выполняются в виде стальных закрытых цилиндрических резервуаров, рассчитанных на заданное внутреннее давление. Предельные потери напора в напорных фильтрах принимают обычно равными 0,6-1 ат. Наибольший диаметр изготовляемых у нас вертикальных фильтров 3,4 м, что соответствует фильтрующей площади около 9 м2. Толщина слоя фильтрующего материала для фильтров всех диаметров принята равной 1 м.

Для станций большой производительности требуется значительное число таких фильтров. В этих случаях может быть целесообразной установка горизонтальных фильтров, которые при том же диаметре могут дать большую площадь фильтрования за счет увеличения длины цилиндра.

92

6.3.4. Осветление воды пропуском через слой взвешенного осадка

6.3.4.1. Принцип работы осветлителей

Для предварительного осветления воды (перед подачей е на фильтры) вместо отстойников в настоящее время широко используют так называемые осветлители с взвешенным осадком.

Этот метод обработки известен достаточно давно4. Но из-за сложности его аппаратного оформления развитие получил лишь со средины 20 века. В нашей стране и за рубежом известно много различных конструкций осветлителей, получивших распространение на городских, промышленных и теплоэнергетических водоочистных комплексах для осветления, обесцвечивания, умягчения, обесфторивания, обескремнивания и обезжелезивания воды.

Этот метод осветления применим только при условии введения в воду коагулянта, т.е. при условии предварительной обработки воды, лишающей частицы взвеси агрегативной устойчивости.

Принцип работы осветителя с взвешенным осадком схематически показан на рис. 21. Вода из смесителя (после введения в не реагентов) пода тся в нижнюю часть осветителя. В большинстве современных конструкций осветителей их нижнюю часть устраивают постепенно расширяющейся к верху (т.е. конической или призматической). Благодаря этому скорость восходящего потока в пределах нижней части осветлителя постепенно уменьшается. Начинающие слипаться частицы взвеси поднимаются восходящим потоком воды до тех пор, пока их скорость выпадения не станет равной восходящей скорости потока – уровень I-I на рис. 21. Выше этого уровня по мере работы осветлителя образуется слой взвешенного

4 Принцип обработки воды во взвешенном слое был запатентован в 1889 г. Патерсоном (Великобритания) и в несколько модифицированном виде в 1902 году Леклерком (Франция).

93

осадка, через который будет проходить и как бы фильтроваться осветляемая вода. Высота слоя h1 обеспечивается располо-

жением устройства 1 для отбора осадка на определ нном уровне II-II. В свою очередь эта высота обеспечивает требуемый эффект осветления воды. Осадок удаляется в осадкоуплотнитель. Вода, прошедшая такой своеобразный «взвешенный фильтр», продолжает восходящее движение до уровня IIIIII , где расположены устройства 2 для е сброса и отвода. Вы-

сота h2 слоя воды над слоем взвешенного осадка должна

обеспечить задержание частиц мути, проскочивших через взвешенный осадок, и защитить поверхность взвешенного осадка от подсоса взвеси устройствами 2 (желобами, перфорированными трубами) для сброса осветл нной воды.

Рис. 21. Принцип работы контактного осветлителя

В слое взвешенного осадка происходит процесс прилипания частиц взвеси к образовавшимся в воде хлопьям коагулянта, т.е. своеобразный процесс контактной коагуляции. В

94

этом слое имеет место так называемое стесненное осаждение хлопьев и частиц мути: при прохождении через взвешенный слой примеси воды сближаются с ранее сформированными хлопьями (сорбентом) и под действием молекулярных сил прилипают к их поверхности или ранее адсорбированных на них частицам примесей.

Стабильная работа осветлителей достигается при постоянстве расхода и температуры обрабатываемой воды. Спонтанные колебания расхода воды вызывают размыв взвешенного слоя и вынос хлопьев в зону осветления. Колебания температуры воды, в особенности поступления более теплой, чем находящаяся в осветлителе, влечет за собой возникновение конвективных токов, приводящих к нарушению взвешенного слоя и замутнению осветленной воды.

6.3.4.2. Типы и конструкции осветлителей

Типы осветлителей созданных и применяемых в России и за рубежом, весьма разнообразны.

Основными признаками, отличающими отдельные типы осветлителей,используемыхвотечественнойпрактике,являются:

-форма рабочей камеры осветлителя;

-наличие или отсутствие дырчатого днища под слоем взвешенного осадка;

-метод удаленияизбыточногоосадкаизрабочей камеры;

-конструкция и место расположения осадкоуплотните-

лей.

Осветлители бывают круглой или прямоугольной формы в плане. Нижняя часть большинства осветлителей имеет форму конуса, пирамиды или призмы (т.е. с переменным поперечным сечением рабочей части) с уклоном стенок к горизонту около 60 градусов. Некоторые осветлители имеют почти плоское дно (с весьма малым углом конусности) и постоянную площадь поперечного сечения рабочей части – по ходу воды. В таких осветлителях обычно устраивают второе дырчатое дни-

95

ще, непосредственно над которым образуется слой взвешенного осадка.

Поддержание требуемой высоты слоя взвешенного осадка в большинстве современных конструкций осветлителей достигается так называемым принудительным отсосом (отбором) осадка. Наконец, осадкоуплотнители устраивают встроенным в осветлитель или вне его (выносными), располагают их в середине осветлителя или под его дном.

Следует отметить, что наличие в воде, подаваемой на осветлитель, пузырьков воздуха может нарушить нормальную работу слоя взвешенного осадка. Поэтому обычно предусматривают удалениевоздухаизводыдо е поступленияв осветлитель.

На рис. 22 показана конструкция прямоугольного осветлителя коридорного типа. Рабочая камера состоит из двух отделений, в нижнюю призматическую часть которых по трубам 1 пода тся осветляемая вода. Осветл нная вода отводится желобами 2 в сборный лоток 3 и далее по отводящей трубе 4. Камера для сбора и уплотнения осадка расположена в середине, между двумя отделениями осветителей. Осадок из взвешенного слоя поступает в осадкоуплотнитель через окна 5, прикрытые козырьками 6, препятствующими поступлению в окна осветл нной воды. Для принудительного отсоса осадка через окна осуществляется отбор воды из осадкоуплотнителя по трубам 7 в тот же сборный желоб 3. При помощи задвижки 8 можно обеспечить такой отбор воды, чтобы уровень е в осадкоуплотнителе был несколько ниже, чем в отделениях рабочей камеры. Эта разность уровней и будет обеспечивать постоянный (принудительный) отбор осадка через окна 5. Уплотн нный осадок удаляется по дырчатым трубам 9.

6.3.5. Умягчение воды

Умягчение воды – процесс понижения ее жесткости, обусловленной наличием солей кальция и магния.

96

Рис. 22. Схема промышленного осветлителя

коридорного типа

Существует несколько методов снижения жесткости воды, выбор которых производится исходя из требований к качеству умягчаемой воды (глубины умягчения) и техникоэкономических обоснований.

В практике водоподготовки наибольшее распространение получили следующие методы умягчения воды:

97

-термический, при котором в результате нагревания или кипячения происходит выпадение малорастворимых солей

восадок:

-термохимический, при котором реагентное умягчение осуществляют обычно с применением извести и соды или реже едкого натра и соды при температуре воды более 100 ºС (до

165 ºС);

-реагентный, сущность которого заключается в связывании ионов кальция и магния химическими веществами в малорастворимые и легко удаляемые соединения (метод осаждения);

-катионный, основанный на способности ионообменных материалов (в данном случае катионитов) обменивать присутствующие в воде катионы кальция и магния на обменные катионы натрия или водорода (не придающие воде свойства жесткости), которыми предварительно заряжается катионит.

6.3.5.1. Термический метод

Термический метод умягчения воды целесообразно применять при использовании карбонатных вод, идущих на питание котлов низкого давления, а также в сочетании с реагентными методами умягчения воды. Он основан на образовании малорастворимого карбоната кальция при нагревании в присутствии углекислого газа С02, что описывается реакцией

Са (НС03)2 → СаСОз ↓ + С02↑ + Н20.

С02 выделяется из воды за счет понижения его растворимости, вызываемого повышением температуры и давления. Кипячением можно полностью удалить С02, но полностью устранить указанную жесткость не удается, поскольку карбонат кальция хотя и незначительно (13 мг/л при температуре 18°С), но все же растворим в воде.

При наличии в воде гидрокарбоната магния процесс его осаждения происходит следующим образом: вначале образуется сравнительно хорошо растворимый карбонат магния

98

Mg (НСОз) → MgC03 + С02↑ + Н20,

который при продолжительном кипячении гидролизуется, в результате чего выпадает осадок малорастворимого гидроксида магния

MgC03 + Н20 → Mg (ОН)2+ С02↑ .

Следовательно, при кипячении воды жесткость, обусловливаемая гидрокарбонатами кальция и магния, снижается.

Обработку ведут в смесительных аппаратах каскадного, распылительного или барботажного типов насыщенным или перегретым водяным паром.

6.3.5.2. Термохимический метод

Термохимическое умягчение применяют исключительно при подготовке воды для паровых котлов, так как в этом случае наиболее рационально используется теплота, затраченная на подогрев воды. Этим методом умягчение воды производят обычно при температуре воды выше 100 °С в присутствии извести CaO и соды Na2CO3 с добавкой фосфатов и реже гидроксида натрия NaOH и соды. Термохимический метод могут применять и с добавлением коагулянтов.

Остаточная кальциевая жесткость может быть снижена до 0,2 мг/экв-л, а магниевая до 0,05-0,1 мг-экв/л, а общая - до

0,23 мг/экв-л.

6.3.5.3. Реагентное умягчение воды

Умягчение воды реагентными методами основано на обработке ее реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения: Mg(OH)2, СаС03, Са3(Р04)2, Mg3(PO4)2 и другие с последующим их отделением в осветлителях, отстойниках и фильтрах. В зависимости от применяемо-

99