Основные методы обработки воды. Осветление воды

Сравнивая данные качества воды природных источников (полученные по результатам анализа) с требованиями потребителей определяют мероприятия для ее обработки.

В практике водоснабжения применяются следующие основные технологические операции для улучшения качества воды:

— осветление – удаление взвешенных веществ;

— обесцвечивание – устранение веществ, придающих воде цвет;

— обеззараживание – уничтожение содержащихся в воде бактерий;

— опреснение – частичное удаление растворенных солей до норм;

— умягчение – удаление солей кальция и магния, обуславливающих жесткость воды;

— обезжелезивание – освобождение воды от растворимых соединений железа;

— обесфторивание – удаление соединений фтора;

— фторирование – добавление в воду фтора;

— дегазация – удаление из воды растворимых газов (H₂S, CO₂, O₂);

— дезактивация – удаление из воды радиоактивных веществ.

Перед использованием воды в технологических системах потребителей ее необходимо обработать. Основные процессы обработки воды для технического водоснабжения проходят в очистных сооружениях, в задачу которых входит:

1. удаление из воды содержащихся в ней взвешенных (нерастворимых) веществ (осветление воды);

2. устранение веществ, обуславливающих цветность воды (обесцвечивание воды);

3. уничтожение содержащихся в воде бактерий (обеззараживание воды);

4. удаление из воды катионов кальция и магния (умягчение воды).

Осветление воды

Удаление взвешенных механических примесей природных и сточных вод чаще всего осуществляется:

1. путем отстаивания воды в отстойниках;

2. пропуском воды через слой ранее выпавшего осадка в осветлителях;

3. пропуском воды через слой зернистого материала в фильтрах, или же путем комбинированного использования данных устройств.

Отстаивание воды

Отстаивание воды осуществляется в горизонтальных, вертикальных и радиальных отстойниках.

Горизонтальные отстойники

Горизонтальный отстойник представляет собой бассейн прямоугольной формы длиной L, шириной В, глубиной Н.

Рисунок 7.1 — Горизонтальный отстойник

Вода, подлежащая осветлению, подходит с одного торца бассейна, проходит вдоль зоны осаждения 1 отстойника и отводится у противоположного торца. Ниже глубины Н в отстойнике расположена зона накопления 2, в которой собирается и уплотняется выпавший осадок, причем ее дно имеет уклон, обратный ходу воды, не менее 0,02.

Размеры отстойника следует определять в соответствии с рекомендациями СНиП. Если ширина отстойника значительна, то он разделяется продольными перегородками шириной не более 6м. Объем зоны накопления отстойника должен быть рассчитан на прием осадка, выпадающего между его шестками, м³:

где Q_сут– суточная производительность отстойника, м³/сутки;

N–средняя в период между выпусками осадков расчетная мутность поступающей воды, мг/л;

N– заданная мутность отстоянной воды, мг, л;

T – продолжительность периода между выпусками осадков, сут;

– расчетная концентрация уплотненного осадка в зоне накопления, г/л.

При изменении N от 100 до 2500 мг/л значение изменяется от 8 до 40 г/л. При значительном содержании взвешенных частиц в осветляемой воде удаление осадка из отстойника должно быть механизировано. С этой целью устанавливаются скребковые транспортеры с насосом или системы дырчатых труб.

Горизонтальные отстойники экономически оправдываются при необходимости осветлять более 10 м³/с воды. Как правило, сооружают не менее двух параллельно работающих горизонтальных отстойников.

В воду перед подачей в отстойник обычно добавляют коагулянт, способствующий укрупнению взвеси. Образующиеся при коагуляции крупные частицы осаждаются во много раз быстрее. В качестве коагулянта чаще всего применяют: сернокислый алюминий, железный купорос, хлорное железо (Al₂SO₄; FeSO₄; FeCl). Глубина зоны осаждения Н=2,5…3,5м.

Вертикальные отстойники

В вертикальных отстойниках осветляемая вода движется вертикально – снизу вверх. Вертикальные отстойники применяют при обработке не более 1,0 м³/с воды.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический корпус (рисунок 7.2) с коническим днищем и центральной цилиндрической трубой.

1 – корпус;

2 – центральная труба;

3 – подающая труба;

4 – сборный желоб;

5 – отводная труба;

6 – гаситель;

7 – труба отвода осадка.

– скорость движения воды;

u – скорость выпадения частиц

(в неподвижной воде)

Рисунок 7.2 — Вертикальный отстойник

Отстаивание воды осуществляется следующим образом. Вода по тубе 3 подается в верхнюю часть центральной трубы 2 и, опускаясь по ней вниз, проходит через гаситель 6 в нижнюю часть корпуса отстойника. Далее вода движется со скоростью 0,5…0,6 мм/с вверх по кольцевому сечению между корпусом и центральной трубой и отводится через сборный желоб 4 и отводную трубу 5. Взвешенные частицы во время восходящего движения воды стремятся опуститься со скоростью выпадения частиц u вниз.

Все частицы, у которых будут задерживаться в отстойнике и постепенно оседать в его нижней части, угол конусности которой обеспечивает сползание осадка к трубе отвода его по 7. По трубе 7 осадок периодически удаляется из отстойника без выключения его из работы.

Высота цилиндрической части отстойника Н=4…5м. Диаметр отстойника можно определить по формуле:

где Q – расчетное количество воды, проходящей через отстойник, м³/с;

– коэффициент объемного использования отстойника, учитывающий наличие зон с локальными значениями скорости движения воды больше ?;

d – диаметр центральной трубы определяется по соотношению:

– время пребывания взвешенной частицы в центральной трубе, с.

Рекомендуется в вертикальных отстойниках иметь отношение D/H1,5. Вертикальные отстойники, как правило, используют коагулированную воду.

Радиальные отстойники

Радиальные отстойники (рисунок 7.3) имеют радиальное направление воды и представляют собой круглый железобетонный резервуар большого диаметра и небольшой глубины — D/H>3,5. При увеличении отношения D/H возрастают горизонтальные составляющие скорости движения воды, причем значение скорости по мере продвижения воды от центра к периферии снижается.

1 – железобетонный резервуар;

2 – центральный распределительный цилиндр;

3 – круговой водосливной желоб;

4 – отводная труба;

5 – скребки;

6 – вращающаяся ферма;

7 – приямок;

8 – грязевая труба.

Рисунок 7.3 — Радиальный отстойник

Отстаивание воды осуществляется так: вода подается в центральную часть отстойника внутрь цилиндра 2 с глухим дном и дырчатыми стенками, погруженного в отстойник на глубину Н. Через отверстия в стенках цилиндра поток воды равномерно распределяется по отстойнику и движется к его периферии, где поступает в круговой водосливной желоб 3. Затем вода отводится из желоба по трубам 4. Осадок выпадает на дно отстойника и специальными скребками 5, закрепленными на медленно вращающейся вокруг центра отстойника ферме 6, сгребается в приямок 7, откуда удаляется по грязевой трубе 8.

Радиальные отстойники устраивают диаметром 5…60м. Глубина отстойника по его периферии h=1,5…2,5м. Дно отстойника выполняется с уклоном по направлению к центру. Глубина отстойника в центре:

где R – радиус радиального отстойника;

i – уклон днища отстойника, принимается равным 0,04.

Безнапорный Гидроциклон

Гидроциклон представляет собой цилиндрический корпус с вытянутым коническим днищем (рисунок 7.4).

1 – корпус;

2 – коническое днище;

3–тангенциально расположенный подающий патрубок;

4 – выпускной патрубок;

5 – отводящий патрубок.

Рисунок 7.4 – Гидроциклон

Принцип работы гидроциклона следующий: вода подается в корпус 1 через тангенциально расположенный патрубок 3. При вращении воды частицы взвеси отгоняются к цилиндрической стенке корпуса 1 и сползают по ней в конусное днище, из которого удаляются через выпуск 4. Осветленная вода отводится из центра корпуса 1 через патрубок 5.

Производительность гидроциклона может быть определена по формуле:

где Q – количество осветляемой воды, м³/ч;

– коэффициент, учитывающий потери воды в осадке и равный 0,85…0,90;

– коэффициент расхода гидроциклона;

– площадь сечения подающего патрубка;

– потери напора в гидроциклоне.

Эффективность работы гидроциклона возрастает с увеличением скорости вращения воды (и, следовательно, расхода воды). Причем эта скорость (при заданной производительности) будет тем больше, чем меньше диаметр гидроциклона. При этом одновременно будут возрастать ?Н и расход энергии на подачу воды.

Для удаления тонкодисперсной взвеси оказывается рациональным применение гидроциклонов весьма малых диаметров (порядка 10…20мм). Для возможности осветления заданных количеств воды при этом приходится использовать значительное число параллельно включенных гидроциклонов.

Осветвление воды в осветлителях

При повышенных требованиях технологии к качеству воды и наличию в исходной воде большого количества мелкодисперсной взвеси осветвление в отстойниках может оказаться недостаточным и потребуется дополнительная стадия очистки. Рассмотрим одну из возможных конструкций осветлителя – осветлитель с поддонным осадкоуплотнителем и дырчатым днищем (рисунок 7.5). Осветлитель представляет собой цилиндрический сосуд с конусным дном.

1 – корпус;

2 – коническое дно;

3 – подводящий патрубок;

3^а – вертикальная труба;

4 – лоток;

5 – дырчатые трубы;

6 – взвешенные слои осадка;

7 – осадкоотводящие трубы;

8 – труба;

9 – отводящий патрубок;

10 – лоток;

11 – патрубок отвода;

12 – сплошное днище;

13 – дырчатое днище.

Рисунок 7.5 — Осветлитель с дырчатым днищем

Вода с коагулянтом через подводящий патрубок 3 подводится в лоток 4, служащий воздухоотделителем, а из него по вертикальной трубе 3^аподается в дырчатые трубы 5. Через отверстия в этих трубах вода поступает в пространство, ограниченное снизу сплошным днищем 12, а сверху – дырчатым днищем 13. Днище 12 разделяет осветлитель на камеру осадкоуплотнения и основную камеру.

Через отверстия в дырчатом днище вода проходит в основную камеру, в которой происходит выпадение взвешенных частиц. Частицы, выпадающие из воды, оседают на поверхности дырчатого днища, образуя слои взвешенного осадка 6.

Последующие порции воды фильтруются через этот слой, очищаясь в нем как от крупных, так и от мелких взвешенных частиц.

Затем вода поднимается вверх и переливается в лоток 10, из которого отводится через отводящий патрубок 9.

Для того, чтобы осветлитель полностью не заполнялся осадком в днище 12 заделывается система осадкоотводящих труб 7, высота которых определяет высоту фильтрующего слоя осадка 6.

Камера осадкоуплотнения через трубу 8 соединяется с лотком 10. Так как уровень воды в основной камере выше, чем в лотке 10, то под действием этой разности-уровней возникает циркуляция воды из основной камеры через трубы 7 в камеру осадкоуплотнения, а из нее через трубу 8 в лоток 10. При этом вода, сливающаяся в трубы 7, захватывает весь слой осадка выше их уровня. Осадок, попадая в камеру осадкоуплотнения, осаждается в поддонном осадкоуплотнителе. По мере накопления осадок отводится через патрубок 11.

Процессы, происходящие во взвешенном слое осадков, очень сложны. Поэтому трудно определить численные соотношения между требуемым эффектом осветления и основными параметрами взвешенного слоя, и расчет осветлителей основан на использовании результатов технологического моделирования. СНиП рекомендует принимать расчетные скорости восходящего движения коагулированной воды над слоем взвеси и долю воды, уходящую в осадкоуплотняющую камеру k_опо данным следующей таблицы.