4624

21

Рисунок 1. - Скорый фильтр с боковым карманом и трубчатым дренажом:

1 – подача воды на очистку; 2 – отвод фильтрованной воды; 3 – подача воды на промывку; 4

– сброс промывной воды; 5 – корпус фильтра; 6 – боковой карман; 7 – желоба; 8 – коллектор дренажа; 9 – трубы дренажа (ответвления); 10 – фильтрующая загрузка; 11– поддерживающие слои

После окончания фильтроцикла фильтры промываются обратным потоком очищенной воды от специального промывного насоса или промывной башни. Промывная вода подается от промывных устройств с высокой скоростью (в 7—10 раз большей, чем скорость фильтрования) по трубопроводу 3 в коллектор 8, проходит распределительные трубы 9, поддерживающие слои 11 и фильтрующую загрузку 10 снизу вверх. При этом происходит расширение загрузки и вымывание из нее загрязнений. Загрязненная промывная вода переливается через кромки в желоба 7, по ним перетекает в боковой карман 6 и по трубопроводу 4 отводится в техническую канализацию.

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.

Скоростью фильтрования (фильтрации) называют количество воды в м3, фильтруемой через 1 м2 поверхности фильтрующего слоя в течение 1 часа. Фактически скорость фильтрования является гидравлической нагрузкой - расходом воды Q, который приходится на единицу площади сооружения F. Важно, чтобы скорость фильтрации была постоянной на протяжении фильтроцикла, то есть не уменьшалась по мере его загрязнения.

Грязеёмкость загрузки - масса загрязнений в граммах, которая задерживается 1 м3 загрузки за время фильтрования. Этот показатель характеризует изымающую способность фильтров и находится в пределах

22

0,5...50 кг/м3. Высокая грязеёмкость свидетельствует об эффективной технологии фильтрования, поскольку позволяет очищать более мутную воду или реже чистить загрузку.

Фильтрующий материал для загрузки фильтров должен обеспечивать требуемую пористость, обладать достаточной механической прочностью против истирания в процессе промывки и достаточной химической устойчивостью против растворяющего действия воды. Этим требованиям хорошо удовлетворяет речной кварцевый песок, который и является основным фильтрующим материалом, употребляемым при осветлении воды. Также в качестве фильтрующих зернистых загрузок применяют: дробленый антрацит, керамзит, керамическая крошка, дробленые горелые породы, дробленый мрамор, пенополистирол, шунгизит и т.д.

Крупность зерен фильтрующего материала, тесно связана с основными расчетными параметрами работы фильтра и различна для разных типов фильтров. Фракционный состав фильтрующей загрузки и степень однородности размеров ее зерен в значительной мере влияют на работу фильтра. Так, использование в качестве загрузочного материала более крупного материала, чем предусмотрено, приводит к снижению эффекта осветления воды, а применение менее крупного фильтрующего материала приводит к уменьшению фильтроцикла.

Применение фильтрующего материала, степень неоднородности которого по величине зерен превышает допустимые нормы, ухудшает условия его промывки. При этом наблюдается вынос частиц загрузки из фильтра. Чтобы избежать этого нежелательного явления, прибегают к снижению интенсивности промывки, что в свою очередь приводит к нарушению нормальной работы фильтра. Поэтому допустимая степень неоднородности фильтрующего материала регламентируется нормативными документами.

Всякий фильтрующий материал обладает некоторой неоднородностью размеров зерен, и для его характеристики служат эффективный размер зерен, средний диаметр зерен dcp, эквивалентный диаметр зерен dэ и коэффициент неоднородности Кн, определяемые в результате гранулометрического (ситового) анализа.

Эффективный размер зерен фильтрующей загрузки d10 равен калибру сита, через которое проходит 10% исследуемого материала.

Средний диаметр зерен dcp исследуемого фильтрующего материала есть диаметр его зерен, мельче которых в данном количестве содержится 50% (по массе) всех зерен.

Эквивалентный диаметр зерен dэ, который отражает содержание всех фракций загрузки, определяется по формуле:

dэ = 100 / ∑(Pi / di), мм,

где Pi - процентное содержание фракций со средним диаметром зерен di, т. е. количество просеиваемых зерен, оставшихся на сите калибром di.

Коэффициент неоднородности Кн это отношение калибра сита, через которое проходит 80% исследуемого фильтрующего материала к калибру сита,

23

пропускающего 10% того же фильтрующего материала, выражает степень неоднородности фильтрующего материала и определяется по формуле:

Кн = d80 / d10

Коэффициент неоднородности фильтрующих материалов может изменяться в зависимости от типа фильтра и согласно [2] находится в пределах

1,75 – 2,2.

Пылевидные частицы определяются количеством материала, в %, прошедшего через сито с калибром 0,25 мм.

В качестве фильтрующего материала при осветлении воды в фильтрах обычно применяют хорошо промытый кварцевый песок.

При выборе характеристик фильтрующих слоев для загрузки скорых фильтров необходимо руководствоваться табл. 15 [2]. Пример: для обычных скорых однослойных фильтров при загрузке кварцевым песком с высотой слоя 0,7 м характеристики диаметра зерен принимаются: наименьший - 0,5 мм, наибольший - 1,2 мм, эквивалентный – 0,7-0,8 мм. Коэффициент неоднородности – 1,8 – 2,0.

Поддерживающие слои размещают между фильтрующим слоем и дренажем фильтра. Назначение поддерживающих слоев заключается в предотвращении выноса фильтрующего материала из фильтра вместе с фильтратом. Кроме того, поддерживающие слои служат для улучшения распределения промывной воды по площади фильтрата.

Гравий или щебень, используемые в качестве поддерживающих слоев, должны быть устойчивы против измельчения и истирания, химические стойки, не должны содержать больше 10% частиц известняка.

Поддерживающие слои должны состоять по возможности из однородных частиц. В каждом слое размер наиболее крупных зерен не должен более чем в 2 раза превышать размер самых мелких зерен этого же слоя. Размер самых мелких зерен верхнего поддерживающего слоя, на который укладывается фильтрующий слой, должен быть в 2 раза больше, чем размер самых крупных зерен фильтрующего слоя. Толщину поддерживающих слоев в фильтрах, оборудованных дренажными системами большого сопротивления, принимают в соответствии с табл. 14 [2].

Практическая часть

Пользуясь нормативным документом [2] подобрать состав загрузки скорого однослойного однопоточного фильтра и определить высоту фильтра. В качестве фильтрующего материала использовать кварцевый песок высотой фильтрующего слоя 1.4 м. Поддерживающие слои предусмотреть из гравия.

Высота фильтра определяется по формуле:

Н = Нп + Нф + Нв + Нс, м,

где Hп, Hф – соответственно, высота поддерживающего и фильтрующего слоя, м;

Hв – высота слоя воды над фильтрующей загрузкой, принимаемая 2 м; Hс – превышение кромки бортов фильтра над поверхностью воды, 0,5 м.

24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Обеззараживание воды

Цель работы: Изучить процесс хлорирования питьевой воды. На основании предложенных данных пробного хлорирования воды, построить кривую хлорпоглащаемости и определить оптимальную дозу хлорного реагента для обеззараживания.

Теоретическая часть

Обеззараживание питьевой воды - удаление из воды болезнетворных микроорганизмов. Список заболеваний, передающихся микробами через воду, когда обеззараживание не производится, весьма внушителен: холера, дизентерия, брюшной тиф, полиомиелит, гепатит А, трахома и т.д.

Методы обеззараживания воды делятся на физические и химические. Химические методы обеззараживания питьевой воды представляют собой добавление в воду химических веществ, вызывающих гибель микроорганизмов. Это такие вещества как хлор и его соединения (диоксид хлора, гипохлорит натрия), озон, ионы серебра. К физическим методам обеззараживания относится воздействие на воду ультрафиолетовым излучением, гаммаизлучением, ультразвуковыми волнами. У каждого из этих методов есть достоинства и недостатки. В настоящее время основным способом обеззараживания питьевой воды является хлорирование.

При хлорировании воды в нее вводятся газообразный хлор или вещества, содержащие активный хлор (хлорная известь СaOCl2, гипохлорит натрия NaOCl, диоксид хлора СlO2, хлораминов NH2Cl и др.).

Бактерицидное действие активного хлора обусловливается главным образом присутствием в обеззараживаемой воде хлорноватистой кислоты НОCl и гипохлорит-иона ClO-, которые непосредственно взаимодействуют с веществом бактериальной клетки, разрушают фермент, усваивающий глюкозу, в результате чего происходят необратимые изменения в клетке (нарушается обмен веществ, и бактерии гибнут). Хлорноватистая кислота и продукт ее диссоциации гипохлорит-нон образуются в результате процесса гидролиза хлора и веществ, содержащих активный хлор при растворении их в воде.

Cl2 + H2O HOCI + HCl

2CaOCl2 + 2H2O 2HOCl + CaCl2 + Ca(ОН)2

Na(OCl) + H2O HOCl + NaOH

Далее в нейтральной или щелочной среде HOCl диссоциирует на гипохлорит-ион и водород-ион:

HOCl ClO- + Н+

25

Хлорноватистая кислота – слабая кислота. Степень ее диссоциации зависит от температуры и рН. Наибольшим бактерицидным действием обладает недиссоциированная форма HOCl, поэтому обеззараживание будет более эффективным в условиях, когда диссоциация HOCl подавлена. Это нейтральная или слабокислая среда.

Необходимая доза активного хлора для обеззараживания воды складывается из хлоропоглощаемости воды и некоторого избытка хлора (остаточного хлора), обеспечивающего в течение заданного отрезка времени бактерицидный эффект.

Хлоропоглощаемостью воды называют количество активного хлора в мг/л, которое расходуется при 30 мин контакте его с обрабатываемой водой, на окисление и хлорирование содержащихся в ней органических и неорганических веществ. Другими словами это разница между дозой введенного в воду активного хлора и его концентрацией через 30 мин. Величина хлоропоглощаемости воды является санитарно-бактериологической ее характеристикой. В некоторой степени хлоропоглощаемость указывает на степень загрязнения воды органическими веществами (при учете или отсутствии неорганических примесей). Хлоропоглощаемость воды постоянно меняется и зависит от физико-химических показателей воды, дозы введенного активного хлора и времени его воздействия. В воде при ее хлорировании необходим избыток хлора для предотвращения возможности вторичного бактериального загрязнения воды во время прохождения по сети. По величине избыточного остаточного хлора в воде ведут контроль процесса хлорирования на водопроводных очистных сооружениях. В хозяйственно-питьевой воде, поступающей в сеть к потребителю, проверяется концентрация остаточного хлора не реже одного раза в час.

Согласно требованиям [1] количество свободного остаточного хлора в питьевой воде должно быть 0,3-0,5 мг/л при контакте 30 мин или связанного остаточного хлора 0,8-1,2 мг/л при часовом контакте.

Свободный остаточный хлор – хлор, присутствующий в воде в виде, HOCl, ClO- или растворенного молекулярного Cl2. ∑ = [HOCl] + [ClO-] + [Cl2].

Связный остаточный хлор – часть общего хлора, присутствующего в воде в виде неорганических и органических хлораминов. ∑ = [NH3-nCln] +

+ [R-NH2-nCln].

Образование хлораминов происходит за счет присутствия в воде солевого аммиака:

HOCl + NH3 NH2Cl + H2O – монохлорамин NH2Cl + H2O NH4+ + OCl- - гидролиз NH2Cl + HOCl NHCl2 + H2O – дихлорамин

Общий хлор (суммарный остаточный активный хлор) – суммарная концентрация всех форм хлорноватистой кислоты, органических и неорганических хлораминов. ∑ = [HOCl] + [ClO-] + [Cl2] + [NH3-nCln] +

+ [R-NH2-nCln].

26

Необходимую дозу хлора принимают экспериментально на основании пробного хлорирования. Для этого к воде прибавляют различные дозы хлора и определяют его концентрацию по истечении некоторого времени. На основании опытных данных строят кривую хлорпоглащаемости (рис. 2).

С остат. хлора, мг/дм 3

АДоза хлора, мг/дм 3

Рисунок 2. – Кривая хлорпоглащаемости

При малых дозах концентрация остаточного хлора равна нулю. С увеличением дозы начинает появляться остаточный хлор, причем через некоторое время концентрация остаточного хлора становится пропорциональной концентрации вводимого хлора за вычетом постоянной. Переход кривой в прямую, указывает на то, что все процессы окисления под действием хлора закончены. Продолжение этой прямой до пересечения с осью абсцисс дает отрезок А, соответствующий полному хлорпоглащению воды.

В водах, содержащих аммиак или аммонийные соли, кривая хлорпоглащаемости имеет иной вид (рис. 3).

С остат. хлора, мг/дм 3

Рисунок 3. – Кривая хлорпоглащаемости воды, содержащей аммиак или аммонийные соли

27

Объясняется это тем, что вводимый хлор взаимодействует с азотосодержащими веществами, образуя моно- и дихлорамины. Первая точка перелома кривой (т. А) – образование монохлорамина. Вторая точка перелома (т. В) – момент окисления монохлорамина избыточным хлором.

Процесс гидролиза хлораминов протекает медленнее, чем гидролиз свободного хлора, поэтому вначале остаточный активный хлор увеличивается (т. А), а затем из-за протекающих в системе химических реакций уменьшается

(т. В).

Обработка воды хлором дозами, меньшими, чем те, которые соответствуют образованию т. В, называются хлорированием до точки перелома. Обработка большими дозами – хлорирование за точкой перелома (гиперхлорирование).

Для снижения запаха хлорированной воды и для консервации хлора на более длительный период в практике применяют хлорирование с аммонизацией, при этом аммонизацию проводят до ввода хлора.

Активный хлор не только обеззараживает воду, но и улучшает физикохимический ее состав, снижает цветность, окисляемость, устраняет некоторые запахи и привкусы. Разрушение гумусовых веществ, стабилизирующих неорганические суспензии (глинистые частицы, Аl(ОН)3, Fе(ОН)3) и препятствующих их слипанию и осаждению, способствует улучшению процессов очистки воды коагулированием. Это объясняется тем, что при хлорировании протекает окисление содержащихся в составе гумусовых веществ фенольных гидроксилов с образованием карбонильных соединений. Такая замена значительно снижает защитные свойства гумуса по отношению к гидрофобным коллоидам и способствует ускорению их коагуляции и осаждению. Таким образом, хлорирование воды наряду с обеззараживанием способствует улучшению процессов коагулирования, отстаивания, фильтрования.

Практическая часть

На основании предложенных данных пробного хлорирования речной воды без аммиака (табл. 2), построить кривую хлорпоглащаемости и определить оптимальную дозу хлорного реагента для обеззараживания воды.

Таблица 2.

Результаты пробного хлорирования речной воды

28

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Определение кинетики осаждения взвешенных веществ из сточной жидкости

Цель работы: Получить практические знания о закономерностях осаждения взвешенных веществ в сточной жидкости. Построить графики зависимости эффекта осветления сточной жидкости от времени отстаивания и от гидравлической крупности взвеси.

Приборы и оборудование

1.Сосуды Лисенко,закрепленные в штативе.

2.Мерные цилиндры ёмкостью 1л (или 500 мл) и 100 мл.

3.Секундомер.

4.Сушильный шкаф.

5.Колбы на 250 мл.

6.Стеклянные воронки.

7.Сточная жидкость.

8.Фотоэлектроколориметр

Работа рассчитана на 2 часа ( 1 занятие).

Содержание взвешенных веществ в пробах в ходе эксперимента определить фотоколориметрическим методом.

Теоретическая часть

Содержащиеся в сточных водах нерастворимые примеси представляют собой массу частиц различных по величине, форме и весу. В частности, при отстаивании бытовых сточных вод приходится иметь дело с хлопьевидными частицами, изменяющими в процессе осаждения свою форму, удельный вес и размеры, вследствие этого изменяется также и скорость их выпадения.

Скорость выпадения частиц, которую называют гидравлической крупностью, можно определить теоретически по известной формуле Стокса.

U0 = g (P1 - P2) d2 / 18 µ

U0 - гидравлическая крупность частицы, м/с ; d - эквивалентный диаметр частицы, м ;

P1 - плотность частицы, кг/м3;

P2 - плотность жидкости, кг/м3

µ - коэффициент динамической вязкости, Па с ; g - ускорение силы тяжести, м/с.

29

Приведенная формула верна, во-первых, при числе Рейнольдса, Rе ≤ 2, во-вторых, предполагается, что частицы имеют форму шара. В третьих, процесс осаждения должен проходить в монодисперсной агрегативно-устойчивой’ системе. Поскольку при осаждении взвесей сточных вод приходиться иметь дело с полидисперсной системой, характеристики осаждения получают экспериментальным путем в лабораторных условиях в сосудах Лисенко или мерных цилиндрах весовым или объемным методами. Более точным следует считать весовой метод.

На основании полученных результатов опытов строят график зависимости эффекта осветления сточной жидкости от продолжительности отстаивания, который имеет вид кривой рис. 1, обращенной выпуклой стороной вверх. Это свидетельствует о замедлении процесса осветления с течением времени, что объясняется неоднородным составом взвеси. Более крупные частицы выпадают быстрее и осаждаются в начале процесса осветления сточной жидкости. Чем более выгнута кривая, тем более неоднороден состав взвеси. Для монодисперсной взвеси эта кривая обратилась бы в прямую линию.

Переход кривой в прямую (рис. I), почти параллельную оси абсцисс, указывает на завершение процесса, к этому моменту времени оседает или всплывает практически полностью все количество нерастворенных примесей, способных к оседанию или всплыванию.

Время выпадения t зависит от высоты слоя жидкости. Разделив эту высоту на время, соответствующее определенному проценту выпавшей взвеси, находят так называемые "проценты" скорости выпадения в мм (или иначе гидравлическую крупность).

U1= h /t1 ; U2= h /t2 и т.д.

где h - высота сосуда (отстойника), в котором проводилось определение

кинетики осаждения взвеси в мм;

t - время отстоя, соответствующее определенному проценту выпавшей взвеси в сек.( в эксперименте -5, 15, 30 и 60 мин.).

Рассчитав процентные скорости, строят кривые зависимости эффекта осаждения от процентной скорости или гидравлической крупности, которая также имеет вид кривой (рис. 2), но обращенной выпуклой стороной вниз.

30

Рис.1. График зависимости эффекта осветления сточной жидкости от продолжительности отстаивания.

Рис. 2. График зависимости эффекта осветления сточной жидкости от гидравлической крупности.

По полученным кривым получают данные для проектирования отстойников.

Ход выполнения работы

В тщательно перемешенной испытуемой сточной жидкости предварительно определяют исходное содержание взвешенных веществ по методике, описанной в 1-ой работе, или фотоколориметрическим способом (проба берется с разбавлением). Испытуемую воду разливают в 4 мерных сосуда Лисенко (или 4 мерных цилиндров на 500 мл).Через 5, 15, 30 и 60 мин.