ком гигиена Гончарюк

Отстойники. Осаждение взвешенных веществ достигается в отстойниках благо­ даря замедлению скорости движения воды и действию силы тяжести. Поступая из труб

врезервуар, вода продолжает двигаться, но

вучастке перехода из узкого русла в ши­ рокое ее движение замедляется настолько (от 1 м до нескольких миллиметров за 1 с), что взвешенные вещества оседают в усло­ виях, близких к тем, которые создаются при ее полной неподвижности.

Взависимости от направления движения воды отстойники делятся на го­

ризонтальные и вертикальные.

Горизонтальный отстойник — резервуар прямоугольной формы глуби­ ной в несколько метров (3—4 м). В нем вода движется с очень низкой скорос­ тью (2—4 мм/с) к отверстию, расположенному в противоположном конце. Для улучшения распределения воды по всему объему отстойника после входного отверстия по всей ширине устанавливаются водосливные или дырчатые пере­ городки. Дно горизонтального отстойника имеет наклон в сторону входной час­ ти, где находится приямок для сбора осадка. Обычно отстойник разбивают на ряд параллельных коридоров шириной до 6 м. Горизонтальные отстойники пе­ риодически очищают от осадка струей воды из брандспойта (на время очистки отстойник выводят из режима работы) или при помощи скребков (рис. 14).

Вгоризонтальном отстойнике на взвешенную частицу действуют две взаим­ но перпендикулярные силы: тяжести (и), перемещающая частицу вертикально вниз, и движения (v), которая тянет частицу в горизонтальном направлении. Вследствие этого частица движется по равнодействующей и в зависимости от соотношения сил опускается на дно или выносится течением из отстойника.

Ввертикальном отстойнике, который имеет цилиндрическую или четы­

рехугольную форму с конусообразным дном, вода поступает в центральную трубу, опус­ кается по ней в нижнюю часть отстойника, поворачивается на 180°, медленно движется вверх, переливается через борт кольцевого желоба и далее попадает через трубу на фильт­ ры (рис. 15). Сила тяжести (и) и сила движе­ ния воды (v) действуют на взвешенную части­ цу в противоположном направлении. Поэтому для эффективного осаждения скорость дви­ жения воды в вертикальных отстойниках долж­ на быть ниже, чем в горизонтальных. В гори­ зонтальных отстойниках расчетная скорость составляет 2—4 мм/с, а в вертикальных — ниже 1 мм/с (0,4—0,6 мм/с). Вода находится в отстойнике в течение 4—8 ч. За это время

151

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

оседают преимущественно грубодисперсные примеси. Так как на своей повер­ хности они сорбируют микроорганизмы, то в отстойниках задерживается зна­ чительная часть бактерий, вирусов и яиц гельминтов.

Фильтрация является следующим (после коагуляции и отстаивания) тех­ ническим приемом освобождения воды от взвешенных веществ, не задержан­ ных на предыдущих этапах обработки (преимущественно это тонкодисперсная суспензия минеральных соединений). Сущность фильтрации состоит в том, что воду пропускают через мелкопористый материал, чаще всего — через песок с определенным размером частиц. Фильтруясь, вода оставляет на поверхности и в глубине фильтров взвешенные вещества.

Фильтры классифицируют с учетом разных характеристик: в зависимости от гидравлических условий работы — открытые (ненапорные) и напорные; по виду фильтрующей основы — сетчатые (микрофильтры, микросита), каркас­ ные, или намывные (диатомитовые), зернистые (песчаные, антрацитовые и т. п.); по величине фильтрующего материала — мелкозернистые (0,2—0,4 мм), среднезернистые (0,4—0,8 мм), крупнозернистые (0,8—1,5 мм); и по скорости фильтрования — медленные (0,1—0,2 м/ч) и скорые (5—12 м/ч); по направле­ нию фильтрующего потока — одно- и двухпоточные, и по количеству фильт­ рующих слоев — одно-, двух-, трех-, многослойные.

Фильтры медленного действия — это первый тип фильтров, которые на­ чали использовать в практике водообработки. В 1829 г. Джон Симпсон постро­ ил для лондонского водопровода песчаные фильтры, которые получили назва­ ние английских, или медленных. Фильтры медленного действия применяют в том случае, когда мутность воды не превышает 200 мг/л и можно ограничиться предварительным естественным отстаиванием ее без коагуляции. Это резервуа­ ры из бетона, железобетона или кирпича, заполненные послойно щебнем, галь­ кой, гравием и песком. Размер частиц постепенно уменьшается в направлении снизу вверх (от 40 до 2 мм). Общая толщина слоя песка составляет 0,8—1 м (рис. 16). Фильтр имеет двойное дно — нижняя его часть сплошная, верхняя — перфорированная. Между ними образуется дренажное пространство, в которое и поступает профильтровавшаяся вода. На верхнюю часть дна кладут слой щеб­ ня или гравия (толщиной 0,4—0,45 м), а на него — собственно фильтрующий слой кварцевого песка (0,8—0,85 м), на который подают очищаемую воду.

Процесс фильтрации на медленном фильтре приближается к естественно­ му: вода проходит через фильтр медленно, со скоростью 0,1—0,2 м/ч. При та­ ких условиях достигается практически полное осветление воды и очистка ее от микроорганизмов (на 95—99%).

По мере фильтрации воды на поверхности фильтрующего слоя песка обра­ зуется биологическая пленка (толщиной 0,5—1 мм) из задержанных разнооб­ разных органических остатков, минеральных веществ, коллоидных частиц и большого количества микроорганизмов. Формируется она в течение несколь­ ких суток, и этот период называется периодом "созревания" фильтра. Пленка са­ ма является фильтром и задерживает мелкую взвесь, которая прошла бы сквозь поры песка. То есть на медленном фильтре происходит пленочная фильтрация воды. Биологическая пленка способствует также минерализации органических

152

Рис. 16. Фильтр медленного действия для очистки питьевой воды:

1 — поступление обрабатываемой воды; 2 — трубопровод для осветленной воды; 3 — трубопровод для сточной воды

веществ и уничтожению микрофлоры, снижению окисляемости (на 20—45%) и цветности (на 20%).

Со временем поры биологической пленки забиваются взвешенными час­ тицами, что приводит к повышению сопротивления и тормозит фильтрацию. Поэтому медленные фильтры нужно периодически очищать путем удаления 15—20 мм верхнего слоя и подсыпания чистого песка 1 раз в 10—30 сут. В это время фильтр выводят из работы.

Основными факторами, способствующими очистке воды на медленных фильтрах, являются: механическая задержка взвешенных частиц, адсорбция, окисление (химическое действие растворенного в воде кислорода), фермента­ тивная деятельность микроорганизмов, биологические процессы, связанные с жизнедеятельностью простейших.

Несмотря на высокую эффективность очистки, простоту оборудования

иэксплуатации, медленные фильтры сегодня используют только на малых во­ допроводах, в сельских населенных пунктах по причине их низкой производи­ тельности.

Фильтры скорого действия. Объемная фильтрация при помощи скорых фильтров является физико-химическим процессом. При объемной фильтрации механические примеси воды проникают в толщу фильтрующего слоя загрузки

иабсорбируются под действием сил молекулярного притяжения на поверхности

153

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

его зерен и приставших ранее частиц. Чем выше скорость фильтрации и круп­ нее зерна загрузки, тем загрязняющие вещества глубже проникают в толщу и равномернее распределяются.

В настоящее время скорые фильтры нашли широкое применение в практике очистки питьевой воды. Они пропускают за час столб воды высотой 5—10 м, то есть их производительность в 50—100 раз выше медленных и следователь­ но уменьшается площадь и объем сооружений. Вот почему медленные фильт­ ры уступили место скорым на больших водопроводах. Схема устройства ско­ рых фильтров приведена на рис. 17. Вода, прошедшая коагуляцию, отстойник или осветлитель, поступает через боковой карман в резервуар фильтра. Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна быть не менее 2 м. В процессе работы фильтра вода проходит через фильтрующий (кварцевый песок толщи­ ной 0,7—1,0 м) и поддерживающий (щебень, гравий толщиной 0,4—0,6 м) слои и распределительной системой направляется в резервуар чистой воды. Важно, чтобы скорость фильтрации была постоянной на протяжении фильтроцикла, то есть не уменьшалась по мере его загрязнения. С этой целью на трубо­ проводе, который отводит профильтрованную воду, устанавливают автомати­ ческие регуляторы скорости фильтрации. Благодаря регуляторам, через фильтр проходит постоянное количество воды.

Скорые фильтры пропускают значительно больше воды, чем медленные, поэтому они быстрее загрязняются. В результате задержки взвешенных частиц в толще фильтрующего слоя уменьшается размер пор, что приводит к повыше­ нию сопротивления загрузки во время фильтрации и потере напора. Продол­ жительность фильтроцикла колеблется в предалах 12—24 ч. Поэтому скорые фильтры нуждаются в очистке 1—2 раза в сутки, а в паводок, при высокой мут­ ности воды, — чаще. По окончании фильтроцикла фильтр промывают струей чистой профильтрованной воды, направленной снизу вверх (обратным током), которую подают под давлением в распределительную систему. Промывная во­ да, проходя с высокой скоростью (в 7—10 раз большей, чем скорость фильтро­ вания) через фильтрующую загрузку снизу вверх, поднимает и взвешивает ее. Промывная вода вместе с грязью переливается в сборные желоба над поверх­ ностью фильтрующего материала и отводится в водосток. 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.

Для интенсификации процесса фильтрации пытаются повысить грязеемкость фильтров, под которой понимают массу загрязнений (в кг), задержанных 1м2 фильтрующей загрузки фильтра в течение фильтроцикла. Повышенную грязеемкость имеют фильтры с двухслойной загрузкой, двухпоточные фильтры системы АКХ и ДЦФ.

В фильтрах с двухслойной загрузкой над слоем песка толщиной 0,4—0,5 м насыпается слой измельченного антрацита или керамзита. В таком фильтре верхний слой, состоящий из более крупных зерен, задерживает основную массу загрязнений, а песчаный — их остаток, прошедший через верхний слой. Общая грязеемкость двухслойного фильтра в 2—2,5 раза больше грязеемкости

154

Рис. 17. Скорые фильтры:

а — однослойный фильтр; б — двухслойный фильтр; в — двухпоточный фильтр

обычного скорого фильтра. Плотность антрацита (керамзита) меньше плотнос­ ти песка, поэтому после промывки фильтра послойное расположение загруз­ ки восстанавливается самостоятельно. Скорость фильтрации в двухслойном фильтре составляет 10—12 м/ч, что в 2 раза больше, чем в однослойном скором.

Сущность работы двухпоточных фильтров АКХ заключается в том, что ос­ новная масса воды (70%) фильтруется снизу вверх, а меньшая часть (30%) — как и в обычных скорых фильтрах — сверху вниз. Благодаря этому основная

155

Рис. 18. Контактный осветлитель

масса загрязнений задерживается в нижней части фильтра, наиболее крупно­ зернистой, имеющей большую грязеемкость. Толщина фильтрующего слоя в фильтре АКХ — 1,45—1,65 м. На глубине 0,5—0,6 м от поверхности фильтру­ ющего слоя загрузки устанавливается трубчатый дренаж, через который отво­ дится профильтрованная вода.

При промывке фильтра АКХ сначала в течение 1 мин промывную воду по­ дают в дренажное пространство для взрыхления верхнего слоя песка, затем в течение 5—6 мин — через распределительную систему, расположенную на дне фильтра. Грязная вода, как и в обычных фильтрах, собирается в желобе и отводится в водосток. Фильтры ДДФ конструктивно отличаются тем, что имеют два слоя загрузки (антрацит и песок, керамзит и песок) в наддренажном слое. В фильтрах АКХ и ДДФ задерживающая способность фильтрующей загрузки используется по всей ее высоте, что позволяет повысить скорость фильтрации до 12—15 м/ч и увеличить производительность фильтра на 1 м2 поверхности в 2 раза.

После коагуляции, отстаивания и фильтрации вода становится прозрачной, бесцветной, очищенной от яиц гельминтов и микроорганизмов на 70—98%.

Контактные осветлители. В настоящее время наряду с обычной схемой очистки воды путем коагуляции, отстаивания и фильтрации применяют новый тип сооружений — контактный осветлитель (КО), который заменяет сооруже­ ния для обработки воды по указанной схеме (камеру реакции, отстойник и ско­ рый фильтр). КО является разновидностью скорых фильтров. Это железобетон­ ный или металлический резервуар, загруженный гравием (поддерживающий слой) и песком (фильтрующий слой), величина частиц которого постепенно уменьшается снизу вверх. На дне оборудуют дренаж из железобетонных плит или труб с отверстиями (рис. 18). Очищаемую воду вместе с коагулянтом по­ дают в дренажное пространство. Она проходит через загрузку фильтра снизу вверх.

156

Рис. 19. Флотационное устройство:

1,8 — соответственно подача и отвод воды; 2 — реагентное хозяйство; 3 — смеситель; 4 — флоккуляторы; 5 — флотатор; 6 — карман для сбора пены; 7 — скорый фильтр; 9 — подача сжатого воздуха; 10— ресивер; 11 — диспергатор; 12 — рециркуляция шлама

Непосредственно перед подачей в КО обрабатываемой воды к ней добав­ ляют раствор коагулянта, приводящий к нарушению агрегативной устойчиво­ сти примесей воды за очень короткий промежуток времени, который проходит от момента введения коагулянта до начала фильтрации. Дальнейший процесс осветления воды происходит не в свободном объеме, как в камерах реак­ ции (хлопьеобразование), а на поверхности загрузки (контактная коагуляция). Во время прохождения воды через фильтрующий материал КО на поверхности зерен образуется гель, который их обволакивает и адсорбирует диспергиро­ ванные взвешенные и коллоидные частицы, обусловливающие мутность и цветность воды. Скорость фильтрации на КО составляет 4,5—5,5 м/ч, продол­ жительность фильтроцикла — около 8 ч. Промывают КО в направлении снизу вверх в течение 7—8 мин. Промывная вода отводится желобами. КО удовлет­ ворительно работают при мутности воды до 1500 мг/л и цветности — до 120°.

Флотация. Для маломутных вод с большим содержанием органических соединений (а иногда также железа), плохо поддающихся обработке в отстой­ никах и осветлителях, эффективным методом кондиционирования является флотация.

Флотация — это процесс, сущность которого заключается в том, что под действием молекулярных сил происходит слияние коллоидных и дисперсных примесей с пузырьками тонко диспергированного в воде воздуха. Комплексы, образовавшиеся при этом, всплывают и образуют на поверхности флотатора пену (рис. 19).

Флотируемость частиц разной величины зависит от размеров пузырьков воздуха и поверхностного натяжения на границе вода — воздух. С понижением поверхностного натяжения эффективность очистки воды методом флотации по­ вышается. Для снижения поверхностного натяжения воды добавляют поверх­ ностно активные вещества (флотореагенты), например натрия додецилсульфат, спирт оксисинтеза С6 —С8 и др.

157

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

Специальные методы обработки воды

К специальным методам улучшения качества питьевой воды относятся ко­ ндиционирование минерального состава, удаление привкусов, запахов, дезак­ тивация и т. д. Все виды кондиционирования минерального состава воды мо­ гут быть разделены на 2 группы: 1) удаление из воды излишка солей или газов (умягчение, опреснение, обезжелезивание, дезодорация, дезактивация, дефторивание и пр.); 2) добавление к воде тех или иных солей с целью улучшения ее органолептических свойства или повышения содержания микроэлементов, ко­ торых недостаточно в воде и пищевых продуктах (фторирование). После спец­ обработки на водопроводе вода подлежит обязательному обеззараживанию.

Дезодорация — устранение привкусов и запахов воды. Достигается аэри­ рованием воды, обработкой окислителями (озонированием, хлора диоксидом, высокими дозами хлора, калия перманганатом), фильтрованием через слой ак­ тивированного угля. Выбор метода дезодорации зависит от происхождения привкусов и запахов.

Обезжелезивание производится путем разбрызгивания воды с целью аэра­ ции в специальных устройствах — градирнях. При этом двухвалентное железо окисляется в железа (III) гидроксид (см. с. 121), осаждающийся в отстойнике или задерживаемый на фильтре. Если концентрация солей железа превышает 5 мг/л, необходимо предварительное осаждение его солей.

Умягчение — снижение природной жесткости воды. К методам умягче­ ния воды относятся: 1) реагентные; 2) ионного обмена; 3) термический.

Из реагентных методов наиболее распространенный содово-известковый, с помощью которого кальций и магний осаждаются в отстойнике в виде нерас­ творимых солей (кальция, магния карбонатов и др.). Известь (кальция гидрок­ сид), внесенная в воду в большем количестве, чем это необходимо для связы­ вания углекислоты (углерода диоксида), взаимодействует с кальция гидрокар­ бонатом, образуя кальция карбонат, который выпадает в осадок:

Са(НС03)2 + Са(ОН)2 = 2СаС031 + 2Н20,

Mg (НС03 )2 + Са(ОН)2 = Mg C03>L + СаС03>1 + 2Н2 0.

Для удаления кальция и магния сульфатов в воду добавляют раствор нат­ рия карбоната:

CaS04 + Na2 C03 = Na2 S04 + CaC03>k

Mg S04 + Na2 C03 = Na2 S04 + MgC03 i.

Более современным методом является фильтрация воды через фильтры, заполненные ионитами, — катионитовое смягчение.

Иониты могут быть естественного или искусственного (минерального или органического) происхождения, практически нерастворимые в воде и орга­ нических растворителях. Способны обменивать свои ионы на ионы раствора. Большинство ионитов — высокомолекулярные соединения сетчатой или прост-

158

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

ранственной структуры. Иониты делят на катиониты (способны обменивать катионы) и аниониты (способны обменивать анионы).

С целью умягчения воду фильтруют через слой естественных (глауконитовый песок) или искусственных катионитов толщиной 2—4 м. При этом ионы кальция и магния (Са2+, Mg2+) воды обмениваются на Na+ или Н+ катионита. В практике водоподготовки могут быть использованы лишь те катиониты, ко­ торые получили гигиеническую оценку и разрешены для использования Ми­ нистерством здравоохранения.

Умягчение воды кипячением дает возможность избавить воду только от устранимой жесткости за счет разложения кальция и магния гидрокарбонатов до нерастворимых карбонатов, которые выпадают в осадок (уравнения хими­ ческих реакций приведены на с. 158).

Выбор того или иного способа определяется необходимой степенью умяг­ чения (наилучший результат, приближенный к 100%, дает использование ка­ тионитов), зависит от количества воды, которую необходимо обработать, тех­ нических и экономических расчетов.

Опреснение воды — это удаление растворенных в ней минеральных со­ лей до величин, рекомендованных госстандартом, при которых вода становит­ ся пригодной для питья или технических нужд. Наиболее распространенными методами опреснения воды на водопроводах являются дистилляция, химичес­ кие (ионный обмен, реагентные), с применением селективных мембран (элект­ родиализ, гиперфильтрация) и др. Опресненную воду обрабатывают, оптими­ зируя для питья: фильтруют через активированный уголь (удаляют привкусы и запахи), фторируют и обогащают минеральными солями, пропуская через фильтры с мраморной крошкой и добавляя часть неопресненной воды.

Опреснение высокоминерализованных (солоноватых и соленых, в том чи­ сле морских и океанических) вод является перспективным способом пополне­ ния дефицита пресных вод в маловодных и аридных районах. Опреснение дос­ тигают или удалением из воды излишков солей, или сепарацией молекул Н2 0. Сепарация связана в большинстве случаев (кроме метода экстракции и обрат­ ного осмоса) с переходом воды в парообразное или твердое (лед) состояние, то есть с изменением ее агрегатного состояния.

В промышленном масштабе используют 5 основных методов опреснения воды: дистилляции, вымораживания, обратного осмоса, электродиализа, ион­ ного обмена.

Дистилляционный процесс является одним из наиболее дешевых, поэто­ му сегодня как по количеству опреснительных установок, так и, особенно, по их суммарной продуктивности методы дистилляции занимают доминирую­ щее положение.

Производительность испарительных опреснительных установок сущест­ венно зависит от максимальной температуры нагревания опресняющейся во­ ды и степени рекуперации тепла. По характеру использования тепловой энер­ гии и степени ее рекуперации дистилляционные установки разделяют на од­ но-, многоступенчатые и парокомпрессионные.

159

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

Стоимость тепловой энергии составляет 30—40% стоимости опреснения воды методом дистилляции. В связи с этим в районах с высокой интенсивнос­ тью солнечной радиации нашли применение солнечные опреснители парнико­ вого типа или с концентрацией солнечного тепла зеркальными отражателями. Обычно максимальная температура нагревания воды в гелиоустановках не пре­ вышает 65—70 °С, а их производительность зависит от испаряющей поверхнос­ ти и колеблется в пределах до 4—5 л/м2 в сутки. Гелиоустановки применяют преимущественно для получения небольшого количества пресной воды.

Опреснение воды методом вымораживания основано на том, что тем­ пература замерзания соленой воды ниже температуры замерзания пресной. Методы вымораживания экономичнее дистилляции. Оптимальным является охлаждение воды при 0 °С. Важным условием является медленное течение тер­ модинамических процессов. Технологией этой группы методов предусмотрена двухэтапность процесса: I этап — частичное опреснение льда при медленном замерзании воды ниже 0 °С (образование агрегатов из кристаллов пресного льда, между которыми имеются пустоты, заполненные замерзшым рассолом); II этап — получение пресной воды при медленном растапливании льда (сна­ чала тает и стекает с первыми порциями воды рассол, лед опресняется и при дальнейшем таянии образуется пресная вода).

Мембранные методы являются самыми простыми, однако они рентабель­ ны лишь при обработке воды с невысоким содержанием солей.

Электродиализный метод опреснения воды основан на принципе разделе­ ния солей в электрическом поле через селективные полупроницаемые ионитовые мембраны: катионы солей, двигаясь под воздействием электрического тока к катоду, свободно проходят через катионитовые мембраны и задерживаются анионитовыми, анионы солей — наоборот. Попеременное размещение мемб­ ран в электродиализном аппарате обусловливает образование камер опреснен­ ной воды, чередующихся с камерами концентрата.

Метод обратного осмоса (гиперфильтрация) основан на опреснении во­ ды путем фильтрации ее под высоким давлением (50—100 атм) через полупро­ ницаемые мембраны, которые пропускают молекулы воды, но задерживают более крупные гидратированные ионы растворенных в воде солей. Сегодня ши­ рокое применение получили мембраны из ацетатов целлюлозы, полиамидных соединений, полиакриловой кислоты, нейлона.

Метод ионного обмена широко применяют для опреснения вод с содер­ жанием соли до 2—3 г/л, умягчения и глубокого обессоливания пресных вод. Основан он на применении практически нерастворимых в воде ионообменных зернистых материалов — катионитов и анионитов.

Для опреснения воды обычно используют катеониты в водородной и аниониты в гидроксильной формах, то есть, предварительно заряженные соответ­ ственно обменными катионами водорода (Н-катионит) или гидроксильными анионами (ОН-анионит). Реакции ионного обмена подчиняются закону дейст­ вия масс, поэтому регенерация катионитов и анионитов при их истощении со-

160