1. Методы очистки питьевой воды: фильтрация. Типы фильтров.

Загрязнение биосферы, в том числе источников водоснабжения, является реальным фактором, который оказывает отрицательное влияние на здоровье людей. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) от использования некачественной питьевой воды каждый год в мире страдает каждый десятый человек. До 50% речной воды каждый год подвергается техногенному воздействию, в том числе и в результате сброса 425·10⁹ м³ сточных вод. Значительная загрязненность водных объектов и мало эффективные технологии подготовки поды это главные причины низкого качества питьевой воды. Нарушения требований СанПиН 2.1.4.10749-01, в которых установлены физико-химические и микробиологическим показатели питьевой воды отмечены во всех субъектах РФ. Более 90% сточных вод, поступающих через коммунальные сети в поверхностные водные объекты, сбрасываются загрязненными.

На качество воды оказывают значительное влияние находящиеся в ней вещества и соединения в различных концентрациях. Превышение концентрации некоторых загрязняющих веществ может оказывать пагубное воздействие как на человека, так и на биологическую обстановку в водном объекте. Следовательно, при сбросе сточных вод после производственных процессов требуется осуществлять извлечение вредных веществ и добиваться установленной предельно допустимой концентрации ПДК сточных вод.

Химические соединения, находящиеся в сточной воде, можно разделить на неорганические и органические и классифицировать по их фазовому состоянию. Характеристику сточных вод, предложенная академиком Кульским Л.А., считают наиболее удачной:

Классификация и методы очистки сточных вод

Тип вредных веществ	Методы очистки сточных вод
Нерастворимые в воде загрязнения – взвешенные вещества, эмульсии и суспензии образуют с водой гетерогенные кинетически неустойчивые соединения(I группа)	Методы, основанные на использовании сил гравитации
Вещества коллоидной степени дисперсности (R ~ 0,1 мкм), образующие с водой гидрофобные и гидрофильные системы (II группа)	Электрофлотация + коагуляция
	Флотация + коагуляция
	Фильтрация
	Отстаивание (седиментация)
Вещества молекулярной степени дисперсности (R < 0,01 мкм). Растворимые органические соединения (III группа)	Сорбция на активированном угле
	Нанофильтрация
Ионные растворы (R<0,001 мкм). Растворы солей, кислот, щелочей, ионы металлов – электролиты (IV группа)	Реагентный метод – перевод ионов в малорастворимые соединения
	Мембранные технологииобессоливания

При обработке сточных вод различного типа используют разные группы методов. Применяя разделение по фазовому состоянию веществ в растворе, можно сгруппировать методы очистки сточных вод.

Для каждого типа промышленных производств характерен свой состав сточных вод. Например, на металлообрабатывающем предприятии в сточных водах будут присутствовать ионы тяжелые металлы и нефтепродукты, однако там не будет фенолов и смол. С другой стороны, на НПЗ в сточных водах будут содержаться фенолы, но не будет ионов никеля или хрома.

Выбор наилучших доступных технологий очистки воды является для проектировщиков достаточно сложной задачей, обусловленной разнообразием загрязняющих веществ в сточной воде и высокими требованиями, предъявляемыми к качеству ее очистки. Например, для обессоливания воды с целью создания оборотного водоснабжения предприятия используют следующие методы: ионный обмен, обратный осмос, нанофильтрацию, вакуумное выпаривание. Воду, прошедшую процесс обессоливания, можно использовать повторно технологических целей: промывки деталей в гальваническом производстве, охлаждения оборудования, получения пара и пр. Также, возможна утилизация ценных компонентов из сточных вод, кислот и щелочей с использованием, например, керамических мембранных элементов. На основании результатов анализа сточной воды можно спроектировать очистные сооружения и подобрать соответствующее оборудование. Выбор оборудования для очистки сточных вод требуется осуществлять методом сравнения данных о качестве воды с характеристиками данных технологического оборудования.

Очистные сооружения сточных вод проектируются на основании анализа производственных процессов и состава стоков. Например, используются деструктивные методы очистки сточных вод промышленных предприятий, с разложением вредных веществ или переводов их в нетоксичные соединения, и регенеративные методы, базирующиеся на утилизации и извлечении загрязнений из воды.

Фильтрование составляет последний этап осветления воды и производится после предварительного осветления воды в отстойниках или осветлителях. Процесс заключается в пропускании воды через слой мелкозернистого фильтрующего материала (речного или карьерного песка, дробленого антрацита).

Для очистки воды применяют фильтры скорые и медленные: скорые — с коагулированием воды, медленные — для обработки ее без коагулирования.

Для частичного осветления исходной воды с мутностью до 300 мг/л, используемой на производственные нужды, следует применять глубокозернистые фильтры.

По принципу действия и виду загрузки скорые фильтры разделяют на фильтры по направлению движения воды сверху вниз (однопоточные) и с одновременным движением сверху вниз и снизу вверх  (двухпоточные).

Однопоточные фильтры бывают с загрузкой из однородного фильтрующего материала (однослойные), с загрузкой из различных фильтрующих материалов (двухслойные фильтры).

Фильтры бывают безнапорные (открытые) и напорные (закрытые). Безнапорные скорые фильтры называют также самотечными.

Безнапорные скорые фильтры. Скорыми называют те фильтры, через которые вода проходит  со скоростями  6—10 м/ч и  более.

Название это дано в отличие от применявшихся ранее медленных фильтров, скорость фильтрации на которых равнялась 0,1—0,2 м/ч, без   коагулирования.

Медленные фильтры в настоящее время применяют для очистки небольших количеств воды.

На скорый фильтр вода поступает из отстойника или осветлителя по трубопроводу 1 в водоподводящий лоток 2, а из него на фильтрующий материал посредством распределительных желобов. Вода проходит фильтрующий слой и поддерживающий его гравийный слой, уложенный на дырчатом днище 3, а далее проходит в дренаж и по трубопроводу 4 отводится в резервуары чистой воды. Трубопровод 5 служит для подачи промывной воды через фильтрующий слой снизу вверх до желобов 6, переливаясь через которые, загрязненная вода отводится по трубе 7 в водосток.

Промывка фильтра для восстановления фильтрующей способности материала заключается в подаче на фильтр снизу вверх больших масс воды. Эта вода захватывает отфильтрованные вещества, смывающиеся с поверхности песка вследствие взаимного трения частиц. Поднявшись до уровня желобов, мутная, загрязненная вода удаляется  по ним с фильтра.

Скорые фильтры промывают 1—2 раза в сутки в зависимости от качества исходной воды. Интенсивность промывки принимают не менее 12—18 л1сек на 1 ж2 площади фильтра; продолжительность промывки 6—5 мин.

Фильтрующий слой состоит из отсеянного кварцевого речного песка крупностью зерен 0,5—1,8 мм при толщине слоя 0,7—2,0 м. Поддерживающий гравийный слой состоит из разной крупности гравия размером от 2—4 до 16—32 мм, общей высотой до 0,4—0,5 м для  трубчатых  дренажей  большого  сопротивления. 

Дренажным  устройством обеспечивается равномерный отвод фильтруемой воды, а также равномерное распределение воды для промывки фильтра. Имеется много различных конструкций дренажа. В настоящее время применяют так называемые дренажи большого сопротивления. Такие дренажи бывают колпачковые и трубчатые. Наиболее распространены трубчатые дренажи, представляющие собой систему дырчатых чугунных или стальных труб, укладываемых параллельно на расстоянии 0,15—0,30 м друг от друга в нижних слоях гравия и присоединяемые  к  коллектору   (трубе большого диаметpa), расположенному в середине днища фильтра параллельно его длинной стороне.

На станциях фильтрования воды для улучшения процесса промывки фильтрующего материала применяют дополнительно поверхностную промывку— смыв с фильтра.

В последнее время разработано много новых конструкций дренажных устройств, в частности щелевые колпачковые дренажи. Эти дренажи дают возможность отказаться от поддерживающих слоев гравия, из-за чего уменьшается высота и, следовательно, стоимость фильтра.

Фильтры двухпоточные. Академией коммунального хозяйства РСФСР разработан фильтр, названный двухпоточным или фильтром АКХ. Фильтры этой конструкции имеют производительность в 1,5 раза большую по сравнению  с   открытыми   скорыми фильтрами,  т. е. условно-расчетную скорость фильтрации принимают 12—15 м/ч.

Основная масса воды проходит тело фильтра снизу вверх. Часть воды, поступающей по желобам 1, фильтруется сверху вниз.

Профильтрованная вода отводится трубчатым дренажом 3, устраиваемым из щелевых асбестоцементных или винипластовых труб.

Промывная вода подается в дренаж для взрыхления верхнего слоя песка с интенсивностью 6—8 л/сек на 1л*2. Затем промывная вода подается в распределительную систему 2 для промывки всего слоя загрузки с интенсивностью 13 — 15 л/сек/м2 в течение 5—6 мин. Загрязненная вода сбрасывается в водосток по желобу 1, карману 4 и трубе 6.

Применение фильтров АК.Х взамен скорых фильтров на действующих станциях увеличивает производительность при сохранении прежних производственных площадей, а при новом строительстве позволяет сократить объемы зданий и производственные площади фильтровальных отделений. Однако при этом усложняется и удорожается оборудование фильтров (увеличивается количество устанавливаемых задвижек).

Двухслойные фильтры. Дробленый антрацит обладает большей способностью задерживать загрязнения из воды, чем кварцевый песок. В последнее время применяют двухслойные фильтры, загруженные на высоту 400—500 мм дробленым антрацитом крупностью 0,8—1,8 мм, а внизу — на высоту 400—500 мм — кварцевым песком.

Эти фильтры показали хорошие результаты. Скорость фильтрования в двухслойном фильтре принимают до 10—12 м/ч, т. е. в 1,5—2 раза больше, чем в обычном фильтре. Следовательно, производительность двухслойного фильтра в 1,5—2 раза больше обычного при одинаковой их площади.

Двухслойные фильтры приняты в типовых проектах, утвержденных Госстроем СССР.

Ввиду сравнительной сложности оборудования фильтров АКХ двухслойные фильтры, появившиеся позднее фильтров АКХ, являются их серьезным конкурентом по производительности.

Контактные осветлители. Академией коммунального хозяйства РСФСР разработана теория и проведены опыты по исследованию работы сооружения нового типа, названного контактным осветлителем. При контактном осветлении воды исключаются отстойники и хлопьеобразователи, что позволяет уменьшить объемы очистных сооружений по сравнению с объемами сооружений обычного типа.

Действие контактного осветлителя основано на том, что при движении воды через слои зернистой загрузки коллоидные и взвешенные частицы прилипают к поверхности зерен и к ранее прилипшим частицам, т. е. на поверхности зерен коагулируются взвешенные и коллоидные примеси, обусловливающие мутность и цветность воды. Этот процесс значительно ускоряется при добавлении в воду коагулянта — сернокислого алюминия или железа.

Контактный осветлитель представляет собой резервуар, заполненный слоем зернистой загрузки, толщиной 2,3—2,6 м (крупность песка 0,5—2 мм, гравия 2—32 мм). Расчетная скорость восходящего потока воды, отнесенная ко всей площади осветлителя составляет 3—5 м/ч. Интенсивность промывки 13—15 л/сек на 1 м2 в течение 7—8 мин. Контактные осветлители дают положительный результат только в случае очистки воды, с содержанием взвешенных веществ (после коагуляции) не свыше 150 мг/л.

Напорный фильтр представляет собой герметически закрытый стальной резервуар с фильтрующей загрузкой. Фильтры работают при давлении воды в них до 6 ати.

Напорные фильтры применяют главным образом для осветления воды на производственные нужды. Вода подается в фильтры под напором, который должен быть достаточен не только для фильтрования, но и для подачи прошедшей через фильтр воды потребителям. В этом случае отпадает необходимость в насосной станции второго подъема.

Вода потребителям подается через фильтры при помощи насосов, без разрыва струи. Потеря напора в самом фильтре составляет обычно 10—15 м. При напорном фильтровании предварительного отстаивания воды не производится. Скорость фильтрации в них 8—13 м/ч.

Недостаток этих фильтров заключается в трудности контроля недоступности их осмотра в любой момент.

Напорные фильтры широко применяют в производственном водопроводе для грубого осветления воды, содержащей до 50—70 мг/л взвешенных веществ.

Сверхскоростные фильтры (напорные) системы Г. Н. Никифорова бывают двух типов: камерные и батарейные. Камерные фильтры разделены на камеры, которые при помощи специального устройства последовательно и автоматически подвергают промывке в порядке очередности. Таким образом, при промывке одного отсека (камеры) остальные работают нормально. Каждый отсек выключается на промывку через 60 мин, а процесс промывки происходит за 9 мин. Автоматическая промывка позволяет увеличить скорость фильтрации до 26—60 м/ч и более.

Такие фильтры применяют в производственных водопроводах для грубого осветления воды, содержащей до 300 мг/л взвешенных веществ при эффекте осветления 70—80%. Камерные фильтры или фильтры-одиночки производительностью не выше 150 м3/ч (D=3,0) применяются для очистки воды на внутрицеховые технологические нужды.

Основное требование при проектировании очистных сооружений1— наиболее рациональная компоновка их. Для этого принимают новые технические решения. Так, в одном здании можно сблокировать очистные сооружения, насосную станцию второго подъема, иногда и котельную для сокращения общей площади застройки, уменьшения длины трубопроводов и сокращения протяженности стен и фундаментов. Примером может служить блок фильтровальной станции (типовой проект), разработанный ГПИ «Водоканалпроект» Госстроя СССР (рис. 69).

Блок фильтровальной станции представляет собой .двухэтажное здание. К фильтровальному залу с трех сторон примыкают обслуживающие помещения  и  насосная  станция  второго  подъема.

В одноэтажной части здания расположены насосная станция, трансформаторная, диспетчерская и щитовая, реагентное хозяйство и оборудование, обеззараживающая установка, химическая и бактериологическая лаборатории, венткамеры, мастерская, конторы, бытовки и котельная.

Для интенсификации процесса растворения коагулянта применяют сжатый воздух от воздуходувок РМК-2. Отдозированный раствор коагулянта насосами КНЗ-3/23 подается в трубопровод исходной воды перед смесителем.

В двухэтажном помещении фильтровального зала станции располагают: железобетонный смеситель вертикальной конструкции с пирамидальной нижней частью, три железобетонных осветлителя и четыре железобетонных скорых фильтра. Осветлители приняты прямоугольной формы коридорного типа.

В каждом осветлителе имеются две рабочие камеры, суживающиеся книзу, и шламоуплотнитель, расширяющийся книзу между ними. Расчетное время уплотнения осадки составляет 5 ч.

Для фильтрации воды применяют скорые фильтры с загрузкой в два слоя: нижний слой — из кварцевого песка, верхний — из дробленого антрацита. Дренаж в фильтрах состоит из центрального стального коллектора с ответвлениями из винипластовых щелевых труб. Размеры щелей в трубах дают возможность загружать фильтры   песком  без   поддерживающего  гравийного  слоя.

В диспетчерском помещении устанавливают панели управления насосами, панель сигнализации, щит КИП и пульт, с которого осуществляется управление насосной станцией первого подъема. Диспетчеру передают сигналы о состоянии работающих агрегатов и аварийные сигналы с дублированием их в фильтровальном зале. Управление процессом промывки фильтров производится с помощью специальных устройств (шкафов управления).

Для наблюдения за прохождением технологических процессов в насосно-фильтровальной станции устанавливают контрольно-измерительные приборы.