7. Гидравлический удар в водоводах

Гидроудары в водопроводах возможны в основном в результате внезапной остановки насосного агрегата, либо быстрого закрытия или открытия задвижки. Гидроудары приводят к возникновению значительных напряжений в материале труб, как правило, выходят из строя стыковые соединения, разрываются трубы и арматура. Гидроудары рассчитывают по формуле Жуковского, которая учитывает упругие свойства воды и материала труб. По этой теории зависимость между изменениями давления и скорости движения воды в водоводе определяется:

, где

a- скорость распространения ударной волны

ΔН – изменение давления

Δυ– изменение скорости

Скорость распространения ударной волны в водоводе, транспортирующей воду определяется:

, где

Е – модуль упругости материала труб

D- внутренний диаметр

δ – толщина стенки

Е для стали 2,1 Н/м².

Формула для воды может быть представлена в следующем упрощенном виде:

, где

a=9900/√73,3+C*(D/δ)

С – коэффициент зависящий от материала стенок трубы и равный для стали 0,5 чугуна 1, железобетона 3, азбестоцемента 20.

Для предотвращения последствий гидроудара следует:

• Применять насосные агрегаты, обладающие большой инерцией вращающихся масс.

• Сбрасывать воду через насосы со свободным вращением колес в обратном направлении. Устанавливать на водоводах обратные клапаны на тройниках,

• Устанавливать клапаны гасители, которые открываются в момент резкого изменения давления.

• Сбрасывать воду через диафрагмы которые разрушаются при повышении Р выше допустимого.

Методы очистки воды

К наиболее распространенным методам относятся осветлениеиобеззараживание.

Осветление воды осуществляют в отстойниках, далее пропускают ее через взвешенный слой осадков в осветлителе и фильтруют через зернистую загрузку фильтра.

Для улучшения процесса отстаивания применяют коагулирование(вводят в воду специальные реагенты, которые взаимодействуют с мельчайшими частицами и образуют укрупненные хлопья). Приготовление реагентов осуществляют на специальных установках реагентного хозяйства. Раствор коагулянта тщательно перемешивают с обрабатываемой водой смесителем, откуда вода направляется в камеру хлопьяобразования, а затем в отстойник.

Обеззараживание воды осуществляют для уничтожения патогенных бактерий, и наиболее распространенные способы это хлорирование, озонирование и бактерицидное облучение.

Иногда применяется специальная обработка воды, например, подземные воды, содержащие много железа и марганца подвергают обезжелезиванию и удалению марганца. Питательная вода для котлов подвергается умягчению. Вода некоторых источников должна быть обессолена. А для некоторых производств вода должна пройти дегазацию(удаление воздуха). В некоторых случаях для предотвращения коррозии трубопроводов и аппаратуры и для предотвращения выпадения солей на стенке осуществляют стабилизацию воды, добавляя соответствующие реагенты, т.е. очистная станция представляет собой комплекс сооружений, где вода подвергается обработке, приобретая нужные потребителю свойства.

Коагулирование и отстаивание воды

Для укрепления мелкодисперсных и коллоидных частиц с целью увеличения скорости их осаждения и способности задерживаться пористыми фильтрующими материалами, применяют коагулирование. Коллоидные частицы обладая электрическим зарядом взаимоотталкиваются, что препятствует их укрупнению. В обрабатываемую воду, содержащую обычно отрицательно заряженные коллоидные частицы, вводят коагулянты, которые образуют положительно заряженные коллоиды. Взаимодействие положительно заряженных частиц с отрицательными приводит к их нейтрализации и образованию более крупных хлопьев. В качестве коагулянтов применяют сернокислый алюминий (глинозём), сернокислое железо, сернокислое железо окисное, хлорное железо. Если содержащихся в воде бикарбонатных ионов недостаточно, то добавляют для связывания известь, соду или едкий натр. Доза коагулянта зависит от мутности и цветности воды и для природных вод находится в пределах от 20 до 50 мг/л.

Реагентное хозяйство

Наибольшее распространение имеет мокрый способ дозирования реагентов. Загружают в бак с водой, где происходит растворение коагулянта, а оттуда поступает в расходные баки, где получают раствор нужной концентрации. Затем раствор направляется в дозировочный бачок, а оттуда в обрабатываемую воду. Для увеличения скорости растворения применяются сжатый воздух. Для равномерного перемешивания служат смесители: перегородчатые, дырчатые и вихревые.

• Перегородчатые представляют собой латки с тремя вертикальными поперечными перегородками и которые попеременно имеют центральные и боковые проходы.

• В дырчатом перемешивание осуществляется под воздействием завихрений, образующихся при проходе воды через отверстия в поперечных перегородках.

• В вертикальных вихревых смесителях перемешивание осуществляют в следствии турболизации вертикального потока.

В камерах хлопьеобразования происходит образование хлопьев, вода в течении 10-40 мин постепенно перемещается от места впуска до выпуска, но скорость воды должна быть такой, чтобы хлопья не разбивались и не выпадали. Процесс отстаивания основан на том, что при малых скоростях движения воды, частицы под действием силы тяжести осаждаются на дно, скорость осаждения зависит от размеров, формы, удельного веса и температуры воды. Время отстаивания в зависимости от крупности может быть различной. Осветляемая вода в отстойнике может двигаться в горизонтальном, вертикальном или радиальном направлении:

1. Горизонтальные отстойники применяют на очистных станциях производительностью более 30 тыс. куб в сутки. Они представляют собой прямоугольный резервуар, вода подается с торца и движется вдоль длинной стены, глубина зоны осаждения от 2,5 до 3,5 м, а ширина секции не более 6 м. Дно имеет уклон приямку для осадков. Осадок периодически удаляют механизированным или гидравлическим способом.

2. Вертикальные отстойники устанавливают на малых очистных до 3 тыс. куб в сутки. Это круглый или квадратный в плане резервуар с коническим или пирамидаидальным днищем. Вода поступает в центральную трубу опускается вниз затем поднимается вверх и опускается через водослив. Скорость восходящего потока применяют в пределах от 0,5 до 0,75 мм/с. Диаметр не должен превышать 10 м, а отношение диаметра к высоте зоны осаждения должно превышать полтора.

3. Радиальные отстойники применяют в промышленных системах водоснабжения на станциях большой производительности и при высоком содержании взвешенных частиц. Вода подается в центр и затем движется в радиальном направлении и затем сливается в периферийный сборный желоб. Радиальные отстойники имеют диаметр от 30 до 60 м, глубину от 3 до 5 м в центре и от 1,5 до 3 в периферии.

Условия осветления значительно улучшаются, если воду пропустить через слой взвешенного осадка, что позволяет укрупнить хлопья еще больше. Осветлители при равных объемах имеют более высокую производительность чем отстойники и требуют намного меньше раствора коагулянта. Для удаления воздуха, пузырьки которого могут взмучивать осадок, воду предварительно направляют в воздухоотделитель. Осветлители бывают коридорного типа, который представляет собой прямоугольный резервуар. Вода поступает по трубе в нижней части, проходит через дырчатые трубы, а осадок непрерывно удаляется в канализацию по трубам также расположенных в нижней части. Скорость восходящего потока от 1 до 1,2 м/с. Высота взвешенного слоя от 2 до 2,5 м, а время уплотнения осадка составляет от 3-12 часов.

После осветления воды, ее фильтруют, пропуская воду через слой мелкозернистого фильтрующего материала, в качестве которого применяют кварцевый песок, гравий, дробленный антрацит и некоторые другие материалы. Различают скорые, сверхскоростные и медленные фильтры. Скорые применяют при коагулировании воды, медленные при обработке без коагулирования, а сверхскоростные работают с коагулироанием и без. Фильтры могут быть открытые (безнапорные) и закрытые (напорные). Скорые фильтры чаще всего открытые, сверхскоростные всегда напорные, а медленные всегда открытые. Движение воды через безнапорные фильтры происходит под напором, который создается разностью отметок уровней воды в фильтре и на выходе из него, а движение воды в напорных фильтрах создается под напором создаваемым насосом.

Скорый фильтр представляет собой резервуар, заполненный фильтрующим материалом, устройством для подачи воды, сбора отфильтрованной воды и устройством для промывки загрузки. Промывка осуществляется водой снизу вверх обычно 1-2 раза в сутки. Открытые скорые фильтры могут быть однопоточные с движением воды только сверху вниз и двухпоточные, т.е. с одновременным движением воды сверху вниз и снизу вверх. В двухпоточных фильтрах основная масса воды проходит через фильтрующий материал снизу вверх, а часть воды сверху вниз. Дренажная система располагается в толще фильтрующего слоя на высоте 0,5-0,6 м от поверхности загрузки. Скорость фильтрования в дренажных фильтрах 12 м/ч. Крупнозернистые скорые фильтры используются в основном на промышленных предприятиях, используют в основном кварцевый песок, размеров от 1 до 2,5 мм. Высота загрузки от 1,5 до 2 м. Скорость фильтрования от 10 до 15 м/ч. Сверхскоростные фильтры бывают горизонтальные и вертикальные. В них практически отсутствует гравийный поддерживающий слой, в нижней части располагают трубы для промывки и продувки воздухом, в основном распространены вертикальные фильтры. Скорость от 25 до 100 м/ч. Для станций большой производительности применимы горизонтальные фильтры. Медленные фильтры применяют на станциях малой производительности. В этих фильтрах загрузочный слой может удаляться, либо промываться. Высота слоя песка крупности 0,3-2 мм примерно 850 мм, а гравия крупности от 2-40 мм 450 мм. Слой воды над загрузкой 1,5 м. Скорость фильтрования от 0,1 до 0,2 м/ч.

Обеззараживание воды

В результате отстаивания и фильтрования из воды удаляется до 95% бактерий. Для уничтожения остальных используют жидкий хлор, гипохлорит натрия, озон, двуокись хлора, бактерицидное облучение.

Хлорирование

Используют либо хлорную известь либо газообразный хлор. Известь применяют при малых расходах воды. В результате реакции образуется хлорноватистая кислота, которая легко получается с образованием атомарного кислорода, обладающего бактерицидным действием, при введении в воду газообразного хлора образуется хлорноватистая и соляная кислоты. Необходимый эффект хлорирования достигается в результате хорошего перемешивания и 30-минутного контакта с водой. Вода поступающая к потребителям должна содержать в одном литре от 0,3 до 0,5 мг остаточного хлора. Для осветленной воды вводят от 2 до 3 мг хлора, а на один литр не фильтрованной речной воды до 6 мг хлора. Для надёжности применяют двойное хлорирование: добавляют хлор перед отстаиванием и после фильтрования.

Для дозирования хлора служат хлораторы, которые могут быть вакуумные и напорные. Напорные имеют тот недостаток, что в них газообразный хлор находится по давлением выше Р_атм, поэтому возможны утечки. Хлор доставляют на станции в баллонах в сжиженном виде, из них хлор переливается в другие баллоны, где он переходит в газообразное состояние. Затем хлор поступает в хлоратор, где он растворяется в водопроводной воде. При повышенной дозе хлора остается неприятный запах и такую воду необходимо дехлорировать. Для предотвращения образования хлорфинольного запаха в воду подают газообразный аммиак.

Озонирование

Сущность метода заключается в окислении бактерий атомарным кислородом, который образуется при распаде озона. Озон одновременно уменьшает цветность, запахи и привкусы. Для обеззараживания одного литра воды подземных источников требуется 0,75-1 мг озона, а для обеззараживания одного литра фильтрованной воды наземных источников от 1 до 3 мг озона. Озон в виде озоновоздушной смеси получают в электрических озонаторах из кислорода воздуха.

Бактерицидное облучение

Этот метод обеззараживания осуществляется с использованием ультрафиолетовых лучей, обладающих бактерицидными свойствами. Применяют его для обеззараживания небольших расходов подземных источников и отфильтрованной воды поверхностных источников. В качестве источника излучения служат ртутнокварцевые лампы высокого или низкого давления. Эффект обеззараживания зависит от продолжительности и интенсивности облучения. Различают напорныебактерицидные установки, которые располагаются на всасывающих или напорных трубопроводов ибезнапорные, которые устанавливаются на горизонтальных трубопроводах или специальных каналах. Обеззараживание ультрафиолетом не производят для воды высокой мутности.