Системы и сооружения водоснабжения. Учебно-методическое пособие

По технологии забора воды из водоисточника различают береговой и русловой водозаборы, отличающиеся между собой расположением места забора воды относительно берега. Водозаборы могут быть совмещенными с насосными станциями первого подъема или раздельными. Условия забора воды различают на легкие, средние, тяжелые, очень тяжелые. Условия забора устанавливаются по наиболее тяжелому виду затруднений в работе водозаборных сооружений в зависимости от устойчивости берегов и ложа источника, русловых и шуголедовых режимов, засоренности по показателям.

При выборе места водозабора учитывают следующие требования:

–место водозабора должно выбираться на устойчивом участке реки, обладающем достаточными расходами и глубиной, расположенном возможно ближе к объектам водоснабжения;

–у места водозабора должны быть спокойные и благоприятные топографические формы берега русла без крутых косогоров, заливаемых пойм, изрезанности оврагами и т.п.;

–выбираемый участок русла не должен располагаться на перекате, иметь резких местных сужений, перепадов, быстрин, островов и кос;

–не допускается размещать водоприемники в пределах зон движения судов, плотов, в зоне отложения и движения донных наносов, в местах зимовья и нереста рыб, на участке возможного разрушения берега, скопления плавника и водорослей, а также возникновения шугозажоров и заторов.

При выборе схемы водозабора одновременно подбирают тип насосов (горизонтальные или вертикальные) и решают вопрос устройства совмещенного или раздельного с насосной станцией водоприемного сооружения. Если принятый тип и схема водозабора не соответствуют необходимой степени надежности забора воды, то в проекте предусматриваются мероприятия для ее повышения.

4.СТАНЦИИВОДОПОДГОТОВКИ.

МЕТОДЫАНАЛИЗАИОЦЕНКАКАЧЕСТВАПРИРОДНЫХВОД

4.1.Показателикачестваводы

Состав природных вод, концентрации и физико-химические свойства содержащихся в них примесей являются основополагающими при оценке пригодности воды для использования ее различными категориями потребителей.

По целевому назначению воду классифицируют как используемую для: хозяйственно-питьевых целей, пищевой промышленности, орошения полей, сельскохозяйственных нужд, паросилового хозяйства, охлаждения производственного оборудования, технологических целей предприятий, заводнения нефтяных пластов и др.

Природные воды классифицируют [2, 4] по отдельным физико-химическим показателям (табл. 2), химическому составу растворенных примесей.

Широко известна классификация примесей воды на основании фазово-дисперсного состояния водных систем. Широкий спектр разнообразных по физической, химической и биологической характеристике примесей, имеющихся в природных водах, объединен в четыре обобщающие группы (табл. 3). Первые две из них относятся к гетерогенным системам, представленным в воде взвесями, коллоидами, эмульсиями и пенами, признаком которых является существование поверхностей раздела. Третья и четвертая группы относятся к гомогенным системам — веществам, образующим с водой молекулярные и ионные растворы. Чем меньше размер частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде, тем больше величина их удельной межфазной поверхности и тем сильнее влияние поверхностных явлений на свойства системы.

Известны классификации взвешенных веществ, присутствующих в природной воде, по гидравлической крупности и размеру растворенных частиц.

Основными показателями, определяющими пригодность воды для разных категорий водопотребителей, являются состав и концентрация содержащихся в ней примесей. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения и правила контроля качества воды, производимой и подаваемой системами питьевого водоснабжения населенных мест в России, устанавливаются по [5–7]. В мировой практике используются нормативы Всемирной организации здравоохранения и развитых государств с высоким научно-техническим потенциалом: США, Франции, Германии и др.

11

Таблица 2

Классификация природных вод

Таблица 3

Классификация примесей по их фазово-дисперсному состоянию

Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь удовлетворительные органолептические свойства. Безопасность воды определяется ее соответствием нормативам по показателям, представленным в табл. 4.

Безвредность питьевой воды по химическому составу определяется также ее соответствием нормативам по содержанию вредных и химических веществ, образующихся в воде в процессе ее обработки (табл. 5).

12

Таблица 4

Требования к качеству питьевой воды

4.2.Выбортехнологииисоставасооруженийдляочисткиприроднойводы

Выбор технологии очистки природной воды должен основываться на системном подходе, который предусматривает систематизацию и анализ данных по качеству природных вод не менее чем за последние пять лет наблюдений; определение вида приоритетных загрязнений природного и антропогенного происхождения и интервала варьирования их концентраций с учетом интегрального индекса качества воды; анализ известных методов и технологий очистки и кондиционирования поверхностных и подземных вод с учетом рациональной области применения или результатов испытания усовершенствованных и новых технологий, обеспечивающих нормативные требования к очищенной воде для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения; технико-экономическое сравнение альтернативных технологических схем для определения оптимального состава очистных сооружений; оптимизацию работы сооружений в составе технологической схемы [4, 8].

При выборе технологической схемы очистки природной воды следует руководствоваться рекомендациями Свода правил [2, п. 9.2, 9.3, 9.10], положениями классификатора технологий очистки природных вод и базой эффективных технологий водоподготовки, включающей разделы по предварительной и реагентной обработке воды, отстаиванию, осветлению, фильтрованию, обеззараживанию и кондиционированию воды [8, табл. 4.1].

Полная производительность Qо.с водопроводной станции слагается из расчетного расхода воды потребителями для суток максимального водопотребления, расхода воды на собственные нужды очистной станции (промывка фильтров, очистка отстойников, камер хлопьеобразования, смесителей, резервуаров чистой воды, продувка осветлителей и др.) и дополнительного расхода воды на пополнение противопожарного запаса. Расход на собственные нужды станции рассчитывают с помощью коэффициента α, принимаемого 1,03–1,04 для станций с повторным использованием про-

13

мывной воды [2, п. 9.6]. Однако, как показывает практика, значение коэффициента α может дости-

гать 1,08–1,1.

Полную производительность водоочистной станции Qо.с, м3/сут, определяют по формуле

Метод обработки воды и состав очистных сооружений выбирают в зависимости от производительности, качества воды в источнике и санитарных требований к питьевой воде [5–7].

Технологическую схему обработки воды выбирают согласно рекомендациям [2, п. 9.2, 9.3, 9.10,

прил. Б; 4–5].

Реагентные методы обработки с применением коагулянтов и флокулянтов используют при цветности воды в источнике водоснабжения до 120 град., мутности до 1500 мг/л и при любой производительности станции водоподготовки. При наличии в природной воде планктона более 1000 кл/мл следует предусматривать микрофильтры или дисковые сита [2; 4; 9–11], а при наличии примесей антропогенного происхождения, привкуса или запаха интенсивностью более двух баллов используют порошкообразный или гранулированный активированный уголь.

Горизонтальные и вертикальные отстойники и осветлители со слоем взвешенного осадка применяют при количестве взвешенных веществ в исходной воде не менее 120 мг/л. Осветлители со взвешенным осадком целесообразно применять при равномерной подаче воды на очистные сооружения и отсутствии резких колебаний температур воды в течение суток [2, 4, 9–11]. В зависимости от показателей качества воды в источнике водоснабжения применяют различные технологические приемы и способы обработки воды.

Высотно-технологическая схема представляет собой совокупность сооружений и трубопроводов, по которым вода последовательно движется в процессе очистки. На схеме указывают отметки уровней воды в технологических сооружениях в порядке, обратном движению воды, начиная с РЧВ. На высотной схеме (произвольный масштаб), кроме отметок уровня воды, наносят отметки дна сооружений. За нулевую отметку принимают максимальную отметку уровня воды в резервуаре чистой воды и в зависимости от нее рассчитывают отметки остальных сооружений. Максимальный уровень воды в РЧВ принимают на 0,5–1 м выше поверхности земли. Потери напора в сооружениях принимают по [2, п. 9.189]. Примеры высотных схем представлены в работах [3, 4, 9–11].

Пример. Определить метод обработки воды и состав очистных сооружений для трех вариантов качества воды (табл. 6).

По [2, табл. 10] принимаем реагентный метод обработки воды и состав сооружений: осветлители со слоем взвешенного осадка (1-й вариант), контактные осветлители (2-й вариант), горизонтальные отстойники — скорые фильтры (3-й вариант). Предусматриваем первичное хлорирование (озонирование) и вторичное хлорирование. Для первого и второго варианта необходимо предусмотреть фторирование очищенной воды.

14

5.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕПРОЦЕССЫОЧИСТКИПРИРОДНЫХВОД

5.1.Обработкаводыкоагулянтамиифлокулянтами

При обработке воды с помощью реагентов в зависимости от показателей качества природной воды необходимо применять способы химической обработки и реагенты, рекомендуемые [2, 4, 9–12].

Впрактике водоподготовки применяют неорганические коагулянты, представляющие собой соли алюминия, железа и их смеси, в меньшей степени — соли титана, магния и цинка и органические коагулянты (альгинаты, крахмал, низкомолекулярные полиэлектролиты и др.) [4, 11–12].

Более подробные сведения о видах коагулянтов, свойствах и производстве представлены в [4, 12].

Наибольшее распространение находят сернокислый алюминий (Al2(SO4)3∙18H2O (глинозем)), полиоксихлорид алюминия ([Аl2(OH)5Cl]∙6H2O) и хлорное железо (FeCl3). Реагент поступает на станцию навалом в виде кускового продукта, порошка или в виде концентрированного раствора.

Втаблицах 7 и 8 приведены характеристики сульфата и полиоксихлорида алюминия.

Для ориентировочных расчетов максимальные и среднегодовые дозы коагулянта на примере сернокислого алюминия (Al2(SO4)3∙18H2O (глинозем)) в расчете на безводный продукт определяют по

[4, 9, 11].

В случае включения в технологическую схему контактного осветлителя расчетную дозу коагулянта уменьшают на 10–15 %.

При использовании в качестве коагулянтов солей железа (FeCl3, FeSO4∙7H2O) дозы коагулянта по безводному продукту для очистки маломутных и цветных вод следует принимать по аналогии с сернокислым алюминием. При обработке мутных вод расчетные дозы реагентов уменьшают на 10–20 %. Характеристика хлорного железа приведена в табл. 9.

Для интенсификации процесса коагуляции в дополнение к коагулянтам применяют флокулянты [4, 9–12]. Флокулянты способствуют увеличению объема, массы и способности к слипанию хлопьев. Флокулянты различают по способу получения (синтетические, природные) и электрическому заряду (анионные, катионные, неионогенные). Находят применение неорганические флокулянты, к которым относят активную кремниевую кислоту, и органические: полиакриламид (ПАА), флокулянты серии К (К-4, К-6), ВПК-402, синтетические флокулянты катионного типа ВА-2, ВА-3, ВА-3М, ВА-102, флокатон, флокулянты марки «Праестол TR» (табл. 10) и др.

Характеристика различных марок флокулянта приведена в [4, 9–11].

15

Примечание: САА — слабо анионактивный; УКА — умеренно катионактивный; СКА — слабокатионактивный.

Расчетную дозу флокулянта (например, ПАА) в пересчете на 100%-й продукт принимают по [2, 4, 11] в зависимости от точки ввода реагента. Коагулянт вводят в трубопровод перед смесителем или в смеситель, а флокулянт — с разрывом 2 мин после введения коагулянта. При недостатке щелочного резерва обрабатываемой воды для эффективного протекания гидролиза коагулянта ее следует подщелачивать содой, едким натром или известью (табл. 11).

где Kщ — коэффициент, равный для извести 28, для соды — 53; Дк — максимальная доза безводного коагулянта, мг/л; eк — эквивалентная масса безводного коагулянта, мг/мг-экв, для Al2(SO4)3 — 57, FeCl3 — 54, FeSO4 — 67; Що — щелочность воды, мг-экв/л [2].

Подщелачивание воды не требуется, если значение Дщ отрицательное.

В случае, если концентрация фтора в воде источника водоснабжения составляет менее 0,7 мг/л, необходимо предусмотреть фторирование. Для фторирования воды применяют фторсодержащие реагенты: фтористый натрий, кремнефтористый натрий или кремнефтористый аммоний.

Дозу фторсодержащего реагента Дф, мг/л, определяют по формуле

16

где m — коэффициент, учитывающий потери фтора в зависимости от места ввода реагента. При введении фторсодержащего реагента после очистных сооружений m = 1, перед скорыми фильтрами или контактными осветлителями m = 1,1; a — необходимая концентрация фтора в воде, принимаемая 0,7…1,5 мг/л (в зависимости от климатических условий); F — содержание фтора в исходной воде, мг/л; k — содержание фтора в чистом реагенте, %, k = 45 % для натрия фтористого, k = 61 % для натрия кремнефтористого; Сф — содержание чистого вещества (фтора) в техническом продукте, %. Для высшего сорта Сф = 94 % для натрия фтористого, Сф = 98 % для натрия кремнефтористого.

Фтор вводят перед обеззараживанием в очищенную воду до РЧВ либо в осветленную — перед скорыми фильтрами [2, п. 9.157].

Для удаления из воды органических веществ, снижения интенсивности запаха и улучшения вкусовых качеств воды применяют гранулированные и порошкообразные активированные угли (ПАУ) и различные окислители.

Наиболее распространенными марками порошкообразного активированного угля российских производителей являются СПДК-27Д, ЭКСТРАСОРБ-102 и ОУ-А (ОАО «Сорбент», ОАО «Карбохим», ООО «УралХимСорб»). Для дезодорации воды применяют ПАУ марок Silcarbon (Silcarbon Aktivkohle GmbH, Германия), Norit SAM35 (Norit Nederland BV, Голландия), а также Carbonut WT (Малайзия). Характеристики ПАУ различных марок приведены в табл. 12.

Дозу ПАУ определяют технологическими изысканиями, а для ориентировочных расчетов принимают в зависимости от интенсивности привкусов и запахов по табл. 13 [11, п. 6.2].

Таблица 13

Доза порошкообразного активированного угля

В водоподготовке применяют гранулированные активированные угли (ГАУ) марок АГ-3, АГ-5, Filtrasorb F300 и F400 (Бельгия), S-51 (США и др.).

Характеристики некоторых отечественных и зарубежных ГАУ приведены в табл. 14.

Вид и дозу окислителя устанавливают также на основании технологических изысканий. Ориентировочные дозы следует принимать по табл. 15 в соответствии с рекомендациями [2, п. 9.139].

Места ввода окислителей следует назначать в соответствии с [2, табл. 20]. Реагенты подают в обрабатываемую воду в виде растворов и суспензий.

Приготовление раствора реагента требуемой концентрации осуществляют в реагентном хозяйстве. Приготовление раствора коагулянта зависит от выбранного метода его хранения («мокрое» или

«сухое»).

17

При «сухом» хранении приготовление раствора осуществляют в растворных баках. Разбавление раствора до концентрации 4…12 %, при которой коагулянт подается в воду, производят в расходных баках.

При «мокром» хранении коагулянта растворные баки одновременно используются и как резер- вуары-хранилища. Расчет сооружений для «мокрого» хранения коагулянта следует производить из условия применения неочищенного сернокислого алюминия с содержанием в нем безводного про-

дукта 33,5 %.

где Дк — доза коагулянта, мг/л; Pс — содержание безводного продукта в коагулянте, %.

На водопроводной станции предусматривают 30-суточный запас коагулянта. Вместимость баков для мокрого хранения принимают из расчета 1,7…1,8 м3 на 1 т коагулянта [2, п. 9.176]. Учитывают также объем осадка, который составляет 0,7 м3 на 1 т коагулянта. Количество баков для мокрого хранения принимают не менее трех. В баках-хранилищах находится насыщенный раствор коагулянта, соответствующий его растворимости.

Концентрацию раствора коагулянта в растворных баках, считая по чистому и безводному продукту, принимают 15…20 % [2, п. 9.176], до 12 % — в расходных баках.

Коагулянт забирают из верхней части баков-хранилищ с помощью поплавка и гибкого шланга и отводят в расходные баки. Количество расходных баков принимают не менее двух. При этом необходимо обеспечить постоянное наличие раствора в баках в течение суток. Объем расходных баков, м3, определяют по формуле

где q — расчетный расход воды, м3/ч; Дк — доза коагулянта, мг/л; n — время, на которое заготавливается раствор коагулянта, равное 6…12 ч; b — концентрация раствора коагулянта, равная 10…12 %; ρ — плотность раствора коагулянта, т/м3, принимают в зависимости от концентрации раствора по

[11, п. 6.2].

Для приготовления рабочего раствора флокулянта марки «Праестол», свойства которого приведены в табл. 10, применяют установку типа POLYDOS, состоящую из трех автоматизированных

18

камер: растворения, выдерживания и дозирования приготовленного флокулянта, оснащенных электрическими мешалками. Уровень готового реагента отслеживается в последней по мере движения воды камере при помощи ультразвукового датчика. Характеристики установки POLYDOS приведены в прил. 1.

Время приготовления раствора флокулянта зависит от количества поступившей в установку воды

ирабочего объема самой установки. При максимальном отборе время приготовления составит около 60 мин. Концентрация раствора может регулироваться автоматически в зависимости от требования

исоставлять от 0,05 до 1,0 %.

При использовании комовой извести для подщелачивания воды ее гасят в известегасилках (прил. 2) и предусматривают хранение в виде теста с концентрацией 35…45 % [2, п. 9.178].

Известковое молоко следует готовить в баках, количество которых принимают не менее двух. Объем баков определяют по формуле (5), в которой вместо Дк подставляют дозу извести Дщ, считая по CaO, г/м3; концентрация известкового молока b = 5 %; время, на которое заготавливается раствор, n = 6…12 ч; плотность известкового молока ρ ≈ 1 т/м3.

Схема приготовления известкового молока представлена в [4, 9–11].

Перемешивание растворов производят сжатым воздухом. Интенсивность подачи воздуха qв, л/(с·м2), принимают: 8…10 — для растворения коагулянта и фторсодержащего реагента; 3…5 — для перемешивания коагулянтов в расходных баках; 8…10 — для перемешивания известкового раствора.

Исходя из площади баков расчетом определяют суммарный расход воздуха, а затем подбирают воздуходувки (прил. 3). Количество воздуходувок (компрессоров) должно быть не менее двух. По производительности воздуходувки и скорости движения воздуха V = 10…15 м/с находят диаметр воздухопровода и рассчитывают потери давления воздуха по длине и на местные сопротивления. Рекомендации по расчету воздуходувок и воздухопроводов приведены в [11].

Фторсодержащие реагенты следует растворять в сатураторах (кремнефтористый натрий) и в расходных баках с воздушным перемешиванием (кремнефтористый натрий и кремнефтористый аммоний). Производительность сатураторов qс, л/ч, по насыщенному раствору кремнефтористого натрия рассчитывают по формуле

Д q

qс = nфp , (7)

с

где Дф — доза фтора, мг/л; q — расход обрабатываемой воды, м3/ч; nс — количество сатураторов; р— растворимость кремнефтористого натрия, г/л (при 0 °С — 4,3; при 20 °С — 7,3; при 40 °С — 10,3).

Объем сатуратора вычисляют, исходя из скорости восходящего потока воды до 0,1 мм/с и времени пребывания раствора в нем более 5 ч. При проектировании расходных баков следует использовать формулу (6), при этом концентрацию рабочего раствора принимают: для кремнефтористого аммония — 7 %; для фтористого натрия — 2,5 %; для кремнефтористого натрия при 0 °С — 0,25,

при 25 °С — 0,5 %.

Схема установки для фторирования и принцип действия подробно описаны в [4, 9–11]. Отделение для приготовления суспензии ПАУ и склад проектируют с учетом требований

[2, п. 9.179]. На складе уголь хранится в заводских бумажных трехслойных мешках. Высоту слоя мешков принимают 1,2…1,4 м.

Порошкообразный уголь используется в виде пульпы. Угольный порошок со склада подается в бункер, а затем в гидравлическую или лопастную мешалку. В последней уголь замачивают в течение не менее 1 ч, но не более 4 ч с непрерывным перемешиванием пульпы. Концентрацию угольной пульпы принимают 5…10 %, удельный вес — 0,94 т/м3 (при 5%-й концентрации).

Дозирование растворов реагентов в обрабатываемую воду производят насосами-дозаторами, которые подбирают по напору и производительности. Отечественные насосы-дозаторы выпускают в двух модификациях, рассчитанных на дозирование растворов коагулянта и других кислых и нейтральных сред или известкового молока с индексом «И» в названии.

Характеристики отечественных и зарубежных перекачивающих насосов и насосов-дозаторов приведены в прил. 4.

19

Пример. Выполнить расчет реагентного хозяйства. Производительность сооружений — 60 000 м3/сут. Качество воды характеризуется мутностью М = 450 мг/л, цветностью Ц = 50 град. ПКШ, щелочностью Щ = 0,96 мг-экв/л.

Дозу сернокислого алюминия определяем по мутности и цветности [4, 11]:

Дк = 4Ц =450 = 28 мг/л.

Из двух значений выбираем максимальное значение дозы — 45 мг/л.

Суточный расход товарного сернокислого алюминия определяем по формуле (5):

где 33,5 — процент активного вещества в товарном реагенте.

Количество сернокислого алюминия с учетом запаса на 30 сут составит 243 т. Принимаем «мокрое» хранение коагулянта в железобетонных баках. Вместимость баков-хранилищ принимаем из расчета 1,8 м3 на 1 т коагулянта (437,4 м3). Объем осадочной, подрешеточной части принимаем приблизительно равной 30 % общего объема бака (т.е. 131,2 м3). Высоту баков принимаем равной

1,5…2 м.

К установке принимаем четыре бака. Объем каждого составляет 109,4 м3, а объем подрешеточной части — 32,8 м3. Суммарный объем одного бака 141,2 м3. Размеры баков принимаем А × В = 12 × 6 м, высоту — 2 м.

Для уменьшения площади баков можно принять меньший срок хранения коагулянта или перейти к «сухому» способу хранения.

Раствор забирают из верхней части баков-хранилищ с помощью поплавка и гибкого шланга и насосом перекачивают в расходные баки. В баках раствор разбавляют водопроводной водой до 10%-й концентрации. Вместимость расходных баков определяем по формуле (6):

Принимаем, что раствор в расходном баке готовится на 12 ч. Вместимость одного бака принимаем равной 12,8 м3, размер А × В = 4 × 2 м, высоту — 1,7 м, количество баков — 3 шт. Расход раствора коагулянта, подаваемого в смеситель в течение одного часа, составит 12,8 / 12 = 1,1 м3/ч.

Подачу 10%-го раствора коагулянта производим насосом-дозатором 68Д1200/б (прил. 4) с расходом 1,1 м3/ч каждый. Принимаем два рабочих (работающих попеременно) и один резервный насос.

При «сухом» способе хранения коагулянта определяют площадь склада и объемы растворных и расходных баков [11].

При использовании в качестве коагулянта полиоксихлорида алюминия (ПОХА), который выпускается промышленностью в виде раствора, уточняем дозу коагулянта по формуле Дк = 17 / 57 ·45 = = 13,4 мг/л, где 17 — массовая доля оксида алюминия (Аl2O3), %; ек = 57 — эквивалентная масса безводного коагулянта Al2(SO4)3, мг/мг-экв.

Суточный расход товарного ПОХА определяем по формуле (5):

Суточный расход ПОХА с учетом плотности раствора 1,36 г/см3 — 4,7 / 1,36 = 3,46 м3/сут. Тогда запас ПОХА на 30 дней составляет 3,46 · 30 = 103,7 м3.

Из условия бесперебойной работы реагентного хозяйства принимаем четыре полиэтиленовых резервуара хранения размерами объемом 26 м3 каждый. Раствор забираем из верхней части баков-хранилищ, перекачиваем насосом в расходные баки и разбавляем водопроводной водой до 8…10%-й концентрации. Далее путем расчета подбираем растворные и расходные баки, воздуходувки для перемешивания раствора коагулянта и насосы-дозаторы для подачи рабочего раствора в смеситель.

20