Текст
                    Л.А.Кульский
П.П.Строкач


КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ ПО ФАЗОВО-ДИСПЕРСНОМУ СОСТОЯНИЮ И ПРОЦЕССЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ Система Гетерогенная Гомогенная Взвеси (суспензии и эмульсии, обусловливающие мутность воды, а также микроорганизмы и планктон) Коллоидные растворы и высокомолекулярные соединения, обусловливающие окисляемость и цветность воды, а также вирусы Молекулярные раство¬ ры (газы, растворимые в воде органические вещества, придающие ей запахи и привкусы) Ионные растворы (соли, кислоты, основания, придающие воде минерализованность, кислотность или щелочность) Группа I (10—2— 10“4 см) II (10—5—10—6 см) ill (Ю—5_10—7 см) IV (10—7—10 —8 см) Механическое безреагентное разделение Диализ, ул ьтр афи л ьтр аци я Аэрирование, эвапорация, десорбция газов и летучих органических соедине¬ ний при аэрировании Г иперфил ьтрация Окисление хлором, озоном и др. Окисление хлором, озоном и др. Окисление хлором, оксидом хлора (IV), озоном, перманганатом калия Перевод ионов в малодиссоциированные соединения Адгезия на гидроксидах алюминия или железа, а также на зернистых и высокодисперсных материалах Адсорбция на гидроксидах алюминия и железа, а также на высокодисперсных глинистых минералах Адсорбция на активированном угле и других материалах Фиксация ионов на твердой фазе ионитов Флотация суспензий и эмульсий Коагуляция коллоидных систем Экстракция органическими растворителями Сепарация ионов при различном фазовом состоянии воды Агрегация флокулянтами Агрегация высокомолекулярными флокулянтами катионного типа Ассоциация молекул Перевод ионов в малорастворимые соединения Бактерицидное воздействие на патогенные микроорганизмы и споры Вирулицидное воздействие Биохимическое разложение Выделение ионов металлов микроорганизма ми Электрофильтрация и электроудерживание микроорганизмов Электрофорез и электродиализ Поляризация молекул в электрическом поле Использование подвижности ионов в электрическом поле
Классификация примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию, создан¬ ная академиком АН УССР Л. А. Куль- ским, явилась плодотворной гипотезой, позволяющей с единых позиций оцени¬ вать технологические процессы очистки воды, обеспечивать эффективную очи¬ стку воды в соответствии с современ¬ ными требованиями к ее качеству и намечать направления дальнейшего развития химии и технологии очистки воды.
JI. А. Кульский, П. П. Строкач ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ вод ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности *Рационалъное использование водных ресурсов и обезвреживание промышленных сточных вод» КИЕВ ГОЛОВНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ «ВИЩА ШКОЛА» 1986
s \ 38.761 я 73 K90 УДК 628.1 + 658.265(075.8) 6&L „Л,.,-- |5ай«»яйй У UmlVti ! ,..3да '-ьмаивз Технология очистки природных вод/Л. А. Кульский, П. П. Строкач.— 2-е изд., перераб. и доп.— К. : Вища шк. Головное изд-во, 1986.— 352 с. Рассмотрены теоретические основы технологи¬ ческих процессов и методы очистки природных вод при их использовании в хозяйственно-пить¬ евом и промышленном водоснабжении, изложены современные представления о физико-химических процессах, протекающих между содержащимися и вводимыми в природные воды веществами, описаны конструкции очистных сооружений и аппаратов водоподготовительных установок и их эксплуатация, приведены данные для расчета. Изложены современные отечественные и зару¬ бежные достижения в данной области. Сведения по очистке воды от разнообразных примесей обобщены и систематизированы исхо¬ дя из физико-химического состояния загрязня¬ ющих воду примесей, или, точнее, из их фазово¬ дисперсного состояния. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Рациональное использование водных ресурсов и обезврежива¬ ние промышленных сточных вод». Табл. 31. Ил. 299. Библиогр.: 26 назв. Рецензент: кандидат технических наук доцент С. С. Душкин (Харьковский институт инженеров коммунального строительства) Редакция учебной и научной литературы по хи¬ мии, горному делу и металлургии Зав. редакцией Т. С. Антоненко © Издательское объединение «Вища школа», 1981 ©Издательское объединение £ 3302000000—005 «Вища школа», 1986, с из- М211(04) — 86 менениями
Стремительный научно-технический прогресс, высокие темпы развития промышленного и жилищно-бытового строительства в нашей стране, все возрастающий уровень благоустройства жилого фонда, увеличение объема промышленного производства и усложнение технологических процессов в промышленности требуют резкого увеличения темпов развития водопроводного хозяйства и значительного улучшения качества воды, подаваемой потребителям. Для выполнения этих задач необходимо не только строительство новых и расширение сети существующих водопроводов, но также разработка и внедрение эффективных методов обработки воды и создание новых типов водоподготовительной аппаратуры. Эти задачи далеко еще не решены, и успех их решения во многом зависит от качества подготовки специалистов в области рационального использования водных ресурсов. В связи с этим перед молодыми инженерами- технологами и особенно студентами этого профиля встают задачи по овладению теоретическими основами процессов и методов подготовки воды, освоению технологии ее очистки от разнообразных загрязнений, приобретению практических навыков по расчету, проектированию и эксплуатации очистных сооружений. В отличие от подобных отечественных и зарубежных изданий в настоящем учебнике описаны не отдельные разрозненные сведения по очистке воды от разнообразных примесей, согласующиеся в той или иной мере с эмпирическими данными, а приведен обобщенный и систематизированный материал на базе науки о водоподготовке. Такая логическая структура подачи материала послужила методологической основой для создания учебника. Построение учебника базируется на едином подходе ко всем процессам водоочистки, основанным на _фаз^)во-дисперсном состоянии примесей воды, Тгазвол яющем\Шределятъ~^техлнол'оги ческие приемы кондиционирования воды и систематизировать способы водообработки, объединив их в большие группы с единой технологией и стандартной аппаратурой. 3
ВВЕДЕНИЕ Прогресс человечества, развитие куль¬ туры и сама жизнь находятся в прямой зависимости от запасов, сохранности и использования воды. Общие запасы воды на земном шаре по оценке М. И. Львовича составляют 1455 млн. км3, из них только 28 млн. км3, или около 1,9 %, составляют прес¬ ные воды, дебит которых катастрофи¬ чески понижается из-за нарастающего загрязнения гидросферы неочищенными сточными водами. Остальные воды — соленые, с различной степенью мине¬ рализации, непригодные без специ¬ альной обработай для промышленно¬ го^ сельскохозяйственного и хозяй¬ ственно-питьевого использования. Вот почему охрана и рациональное использование водных ресурсов — одна из глобальных проблем современ¬ ности. Яркое подтверждение актуальности этой проблемы — «десятилетие чистой воды», объявленное с 1981 до 1990 гг. по решению международной организа¬ ции ЮНЕСКО. Перед человечеством стоит очень слож¬ ная задача сохранения чистой воды. Она требует не только углубленных знаний об этом удивительном химическом веществе, о присущих ему и необходимых для жизни примесях, но и радикальных способов очистки воды, особенно от вредных веществ. Стремительное развитие научно-тех¬ нической революции, бурный рост про¬ мышленности, транспорта, увеличение численности и урбанизация населения, химизация сельскохозяйственного про¬ изводства — эти и другие факторы ве¬ дут к повышенному использованию при¬ родных ресурсов и оказывают воздей¬ ствие на состояние водного бассейна. За восемь десятилетий нашего столе¬ тия забор пресной воды возрос почти в десять раз. Учитывая, что в настоящее время в мире энергетические мощности удваиваются каждые 12 лет, объем про¬ мышленной продукции — каждые 15 лет, к 2000 г. при сохранности существующих темпов роста производства будет добы¬ то 170—180 млрд. т сырья, на перера¬ ботку которого потребуются еще более колоссальные расходы воды. Водные ресурсы СССР в несколько раз превышают не только нынешний уро¬ вень водопотребления, но и уровень 2000 года. Водообеспеченность на од¬ ного жителя составляет 19 тыс. м3/год, что в 2 раза превышает среднемировую водообеспеченность на одного жителя. Однако и в нашей стране задача рацио¬ нального использования водных ресур¬ сов, улучшения качества воды приобре¬ тает все большее значение. Настоятельно необходимым стало выделение техно¬ логии воды, объединяющей процессы и методы очистки воды различного на¬ значения, в самостоятельную научно- техническую дисциплину со специали¬ зацией по различным отраслям на¬ родного хозяйства. В дореволюционной России водоснаб¬ жение и в частности технология воды развивались чрезвычайно медленно. К 1917 г. лишь 156 городов, т. е. менее х/4, имели водоочистные станции, вода из которых подавалась только в цент¬ ральную часть города. Очистка воды сводилась в основном к ее отстаиванию. фильтрованию и обеззараживанию. После Великой Октябрьской социали¬ стической революции положение корен¬ ным образом изменилось. Обеспечение населения доброкачественной водой со¬ ветское правительство поставило как 4
одну из важнейших народнохозяйствен¬ ных, общегосударственных задач. В программе партии, принятой в 1919 г. на VIII съезде РКП(б), было предусмотрено «оздоровление населен¬ ных мест, охрана воды и воздуха». В 1922—1923 гг. были приняты важные правительственные документы, направ¬ ленные на улучшение санитарного со¬ стояния источников водоснабжения и на обеспечение контроля качества воды. Впервые за всю историю страны начала вестись планомерная работа по корен¬ ному улучшению снабжения населения водой, а также обеспечению в необходи¬ мом ее количестве запросов промышлен¬ ных предприятий, транспорта, сферы обслуживания. Благодаря высоким темпам строитель¬ ства уже в годы первых пятилеток были реконструированы действующие водо¬ очистные станции в Донецке, Макеевке, Иванове, Свердловске, Челябинске и мно¬ гих других городах и промышленных районах. Были выполнены проекты и по ним построены новые очистные сооруже¬ ния более чем в 100 городах. К концу 30-х годов объем водопотреблен и я из го¬ родских водопроводных станций по сравнению с 1917 г. увеличился почти в 6 раз. Значительно было улучшено водо¬ снабжение Москвы, особенно после стро¬ ительства канала им. Москвы, свя¬ завшего р. Москву с Волгой. Большой ущерб водопроводно-канали- зационному хозяйству нанесла Вели¬ кая Отечественная война 1941—1945 гг. Однако в трудных военных условиях водопроводные станции обеспечивали бесперебойную подачу воды заводам оборонного значения, другим промыш¬ ленным предприятиям. В послевоенные годы наряду с восстановлением и развитием промыш¬ ленности и городского хозяйства долж¬ ное внимание уделялось восстановлению существующих и строительству новых водоочистных станций. Особенно высокими темпами развива¬ ется технология кондиционирования во¬ ды в последние десятилетия. Во многих городах построены уникальные по про¬ изводительности и сложности строитель¬ ства комплексы водопроводных очистных сооружений, оснащенные прогрессивной технологией, в том числе в Москве, Киеве, Минске, Ленинграде, Томске, Горьком, Владивостоке и целом ряде дру¬ гих городов. Крупнейший в мире цех озонирования воды производительностью 1 200 000 м3/сут действует на Восточной водопроводной станции Москвы, цех фторирования производительностью 400 000 м3/сут — на Череповецкой стан¬ ции. В декабре 1970 г. Верховный Совет СССР принял закон об утверждении «Основ водного законодательства Сою¬ за ССР и союзных республик», в котором удовлетворение питьевых и бытовых нужд населения становится как перво¬ очередная задача. Вопросы рациональ¬ ного использования и охраны водных ресурсов в законодательном порядке закреплены в Конституции СССР. Широкое внедрение и международное признание получила технология кон¬ тактного осветления воды. В настоящее время контактные осветлители, или, как их называют за рубежом, «русские фильт¬ ры», успешно эксплуатируются в Ленин¬ граде, Уфе, Куйбышеве и многих дру¬ гих городах. Нашла повсеместное применение на водопроводных станциях предложенная еще в довоенные годы С. X. Азерьером и усовершенствованная позже техноло¬ гия осветления воды в слое взвешенной контактной среды. Внедрена и дает хорошие результаты новая технология двухступенчатого фильтрования с контактными осветлите¬ лями на первой ступени и скорыми фильтрами на второй для обработки высокоцветных вод, технология тонко¬ слойного осветления. Улучшение качества питьевой воды и оптимизация режима работы очистных сооружений достигаются применением высокоэффективной технологии флоку- лирования воды с применением полиак¬ риламида, активной кремниевой кис¬ лоты, флокулянтов катионного типа BA-2, BA-3, ВА-2Т, серии К (К-4, К-6) и др. Достигнут научно-технический про¬ гресс в области очистки подземных вод. Разработана и широко внедрена техно¬ логия обезжелезивания воды фильтрова¬ нием с упрощенным аэрированием на скорых песчаных фильтрах и на высоко¬ производительных фильтрах с гравий¬ 5
ной загрузкой и водовоздушной про¬ мывкой. Дальнейшее усовершенствование и внедрение получают: технология обез¬ зараживания воды озонированием, бак¬ терицидным излучением, электрохими¬ чески получаемым гипохлоритом натрия, новые методы дезодорации воды, изв¬ лечения из нее ядохимикатов, тех¬ нология опреснения и обессоливания воды. Для обработки воды на небольших ав¬ тономных объектах применяются во¬ доочистные установки «Струя», комплекс¬ ные электроводоочистные установки ти¬ па КВУ и др. Повысился технический уровень ти¬ пового проектирования. Заметно улуч¬ шились объемно-планировочные и кон¬ структивные решения основных зданий и сооружений. В проектах предусматрива¬ ется рациональное блокирование про¬ изводственных объектов с применением сборных железобетонных конструкций и новых строительных материалов, воз¬ рос уровень технической эстетики на водоочистных станциях. Достигнуты значительные успехи в создании высокоэффективных отечествен¬ ных реагентов, фильтрующих материа¬ лов, оборудования и приборов, позво¬ ляющих автоматизировать многие тех¬ нологические процессы. Советскими уче¬ ными и инженерами созданы новые методы и технологические схемы конди¬ ционирования воды. Повсеместно внед¬ ряются системы оборотного и повторно¬ го использования воды, бессточные си¬ стемы водопользования. Повысился уровень теоретических ис¬ следований в области химии и техноло¬ гии воды. Опубликованная в 1968 г. академиком АН УССР Л. А. Кульским классификация примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию явилась плодотворной гипотезой, позволяющей с единых позиций оценивать техно¬ логические процессы очистки воды, обеспечивать эффективную водообработ- ку в соответствии с современными тре¬ бованиями к ее качеству и намечать направления дальнейшего развития этой отрасли науки. Кроме Института кол¬ лоидной химии и химии воды АН УССР, осуществляющего ведущие работы по этой проблеме, разработкой, созданием •и внедрением высокоэффективной тех¬ нологии очистки воды в СССР занима¬ ются крупные научно-исследовательские институты и организации — ВНИИ ВОДГЕО, НИИКВОВ Академии ком¬ мунального хозяйства им. Памфилова, МИСИ им. Куйбышева, НИКТИ ГХ МЖКХ УССР, проектные институты — Союзводоканалпроект и его филиалы, Гипрокоммунводоканал, ЦНИИЭП ин¬ женерного оборудования, Теплоэлект- ропроект и многие другие. Научно-техническая политика в об¬ ласти очистки природных вод на ближай¬ шую перспективу предусматривает нап¬ равление усилий многочисленных научно-исследовательских, проектно¬ конструкторских и технологических ор¬ ганизаций на дальнейшую разработку теоретической базы химии и технологии воды, внедрение новых технологических процессов, создание современного во¬ доочистного оборудования, приборов, средств автоматизации, новых реаген¬ тов и материалов, позволяющих повысить производительность труда и экономич¬ ность производства. Ускорение научно-технического про¬ гресса в водном хозяйстве страны, пре¬ дусмотренное «Основными направления¬ ми экономического и социального разви¬ тия СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года», является частью общегосударственной задачи, которую постановил XXVII съезд КПСС и Со¬ ветское правительство перед партий¬ ными, хозяйственными, профсоюзны¬ ми и комсомольскими органами по дальнейшей интенсификации развития народного хозяйства, улучшению благо¬ состояния и жизненного уровня совет¬ ских людей.
Раздел I ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ И МЕТОДОВ ИХ УДАЛЕНИЯ Глава 1 ПОКАЗАТЕЛИ И ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ПРИРОДНЫХ ВОД 1.1. Характеристика источников водоснабжения Источниками водоснабжения населенных пунктов, промышленности и сельского хозяйства являются подземные и по¬ верхностные воды, а также атмосфер¬ ные осадки. К подземным водам отно¬ сятся: верховодка, грунтовые, межплас- товые, артезианские, трещинные, карс¬ товые. Состав подземных вод определя¬ ется главным образом условиями их формирования. Так, различают: 1) во¬ ды, минеральный состав которых сфор¬ мировался в процессе выщелачивания горных пород; 2) воды, попавшие в оса¬ дочные породы в процессе образования этих пород на дне морей и океанов, они близки по составу к водам океана; 3) во¬ ды, образовавшиеся при переходе воды из связанного состояния в свободное под влиянием высокой температуры и давления. К поверхностным принадлежат воды открытых водоемов: рек, озер, морей, каналов, водохранилищ и пр. Их состав определяется: 1) климатическими, гео¬ морфологическими и антропогенными факторами (рельеф, форма и размер бас¬ сейна, фауна, флора); 2) почвенно-гео- логическими условиями (состояние поч¬ вы и пород); 3) агро- и гидротехнически¬ ми мероприятиями. Для подземных вод характерно зна¬ чительное содержание минеральных со¬ лей и небольшое, по сравнению с поверх¬ ностными водами, содержание органи¬ ческих веществ. Температура воды в источниках водо¬ снабжения зависит от их происхожде¬ ния. Воды подземных источников отли¬ чаются постоянством температуры, при¬ чем с увеличением глубины залегания вод сезонные колебания их температуры уменьшаются. Наоборот, температура вод открытых водоемов (рек, прудов, водохра¬ нилищ) претерпевает значительные изме¬ нения, связанные с нагреванием и охлаждением водоемов в течение года. Помимо сезонных изменений на темпера¬ туру воды в отдельных местах открытых водоемов влияет поступление в них под¬ земных вод, а также промышленных сто¬ чных вод. Часто поверхностные и подземные воды сообщаются между собой, что значитель¬ но влияет на их химический состав. В первую очередь это относится к верхо¬ водке и грунтовым водам. В районах повышенной влажности во¬ ды верховодки обычно пресные и содер¬ жат много органических веществ, солей железа и кремниевой кислоты. В местах интенсивного испарения влаги верхо¬ водка высокоминерализована. Из-за отсутствия водоупорной кровли та¬ кая вода легко загрязняется, а по¬ этому в качестве источника водоснабже¬ ния используется лишь в крайних слу¬ чаях. Грунтовые воды питаются за счет инфильтрации атмосферных осадков и воды поверхностных водоемов в период ее высокого стояния, а иногда и за счет подземных напорных вод. Состав грун¬ товых вод определяется в основном источниками их питания. Большая роль в формировании состава этих вод при¬ надлежит испарению. Так, в засушли¬ вых районах Средней Азии испарение воды приводит к повышению содержания солей в грунтовых водах до 100—200 г/л. Содержание органических веществ в грунтовых водах достигает 8 мг/л, а мут¬ ность их обычно ничтожна. Источники питания артезианских вод те же, что и грунтовых, однако форми¬ руются они в течение более длительного 7
времени. В верхней зоне активного во¬ дообмена с атмосферой артезианские во¬ ды обычно слабо минерализованы и ши¬ роко используются для водоснабжения. Наиболее крупные запасы артезиан¬ ских вод в СССР имеются в Московском, Днепровско-Донецком, Западно-Сибир- ском и других бассейнах. Огромное значение для водоснабжения имеют реки. Состав примесей речных вод определяется характером питания рек. Различают поверхностное и подземное питание. Поверхностное питание обес¬ печивается выпаданием дождей, таянием снега, ледников и т. п., а подземное — главным образом грунтовыми водами (родники, ключи). Содержание взвешенных веществ в реках изменяется от 2 до 10 ООО, а солей — от 30 до 1500 мг/л. В зависимости от количества взвешен¬ ных веществ воды поверхностных ис¬ точников подразделяются по мутности на маломутные 50 мг/л), средней мут¬ ности (50—250), мутные (250—1500) и высокомутные (> 1500 мг/л); а в за¬ висимости от наличия гумусовых ве¬ ществ — на малоцветные (^ 35 град), средней цветности (> 35—120 град), высокой цветности (> 120 град). Минимальное содержание солей ха¬ рактерно для рек с поверхностным пи¬ танием (Нева, Печора), а максималь¬ ное — для рек, источником питания кото¬ рых являются подземные воды (Эмба, Ишим). Содержание солей в каждой из этих групп рек не является постоян¬ ным. В период паводков, когда реки пополняются поверхностными водами, содержание солей в них резко падает. В зависимости от содержания солей степень минерализации воды в реках может быть очень малой 100 мг/л), малой (100—200), средней (200—500), повышенной (500—1000) и высокой О 1000 мг/л). Содержание органических веществ в реках колеблется от 2 до 150 мг/л. Вода озер отличается различным содер¬ жанием солей: от 30 (Онежское) до 5 820 мг/л (Иссык-Куль) и выше. Содер¬ жание органических веществ в них из¬ меняется от 2,0 до 50 мг/л. Меньшая кон¬ центрация характерна для озер, в которых органические вещества образу¬ ются за счет планктона. В озерах, пита¬ ющихся болотными водами, содержание их достигает нескольких десятков мил¬ лиграммов на литр. Болотные воды обычно содержат ма¬ ло солей и много органических веществ. В качестве источников водоснабже¬ ния часто используют искусственные во¬ дохранилища, минеральный и органи¬ ческий состав воды в которых зависит от характера их питания. В процессе формирования ложа водохранилищ со¬ став воды в них может изменяться. Большое количество питательных ве¬ ществ, высокая прозрачность воды и солнечная радиация создают благопри¬ ятные условия в водохранилищах для развития растительных и животных ор¬ ганизмов и обогащения воды органичес¬ кими веществами. Осадки, выпадающие в виде дождя и снега, относятся к атмосферным водам. Они собираются в искусственных водо¬ хранилищах или естественных резервуа¬ рах — долинах. Состав таких вод опреде¬ ляется чистотой атмосферы, количеством выпавших осадков, условиями, сопут¬ ствующими их выпаданию, гидрогеоло¬ гическими свойствами грунтов бассейна сбора воды, способом ее накопления и хранения. В безводных и засушливых районах СССР атмосферные осадки используют¬ ся в качестве источников водоснабже¬ ния. В состав атмосферных осадков входят газы (02, С02, N2 и др.), соли, бактерии и другие вещества. Содержа¬ ние солей и органических соединений в них обычно невелико. Состав природных вод непрерывно из¬ меняется. Этому способствуют про¬ текающие в них процессы окисления и восстановления, смешения вод различ¬ ных источников, осаждения содержащих¬ ся в них солей в результате изменения температуры и давления, осаждения и взмучивания грубодисперсных частичек, ионообмена между осадками и водой, обогащения подземных вод некоторыми микроэлементами вследствие биохими¬ ческих процессов. Наличие в воде органических и неко¬ торых легкоокисляющихся неоргани¬ ческих примесей (H2S, MeS03 Fe (II) и др.) обусловливает определенную ее окис- ляемость. Наименьшей окисляемостью (2 мг/л 02) характеризуются артезиан¬ 8
ские воды. Окисляемость грунтовых вод зависит от глубины их залегания и для грунтовых незагрязненных вод близка к окисляемости артезианских. Окисляе¬ мость чистых озерных вод в среднем со¬ ставляет 5—8 мг/л кислорода; в речной воде она колеблется в широких пределах, достигая 60 мг/л и более. Высокой окисляемостью воды отличаются ре¬ ки, бассейны которых расположены в болотистых местностях. В болотных во¬ дах в некоторых случаях она достигает 400 мг/л. Повышенная окисляемость во¬ ды свидетельствует о загрязнении источ¬ ника и требует соответствующих меропри¬ ятий по его охране. Внезапное повыше¬ ние окисляемости воды служит призна¬ ком загрязнения ее бытовыми сточными, водами, поэтому окисляемость — важная гигиеническая характеристика природ¬ ных вод. Самоочищение воды в открытых водо¬ емах от бактериальных загрязнений про¬ исходит за счет сложного комплекса физических, химических и биологичес¬ ких факторов, чему способствует раз¬ бавление загрязнений большой массой воды, перемешивание, осаждение взве¬ сей, аэрация и т. п. Под влиянием про¬ текающих в воде биохимических про¬ цессов, в особенности окислительных, погибают патогенные микробы. Бакте¬ рии, кроме того, уничтожаются про¬ стейшими, которые заглатывают их как пищу. Разрушающе действуют на бакте¬ рии также бактериофаги, микробы-ан¬ тагонисты и антибиотики биологическо¬ го происхождения. Особенно важна роль самоочищения воды в открытых водоемах, в частности в реках, содержащих не только естест¬ венные загрязнения, но и большое ко¬ личество сточных вод. Как правило, естественные факторы очищения источников не обеспечивают надлежащего качества воды для хозяй- ственно-питьевых и промышленных нужд. В связи с этим практически всегда необходима дополнительная обработка воды для придания ей качеств, удов¬ летворяющих запросы потребителя. При выборе надлежащей схемы очист¬ ки воды прежде всего следует определить качество воды данного источника, т. е. свойства, состав и концентрацию содер¬ жащихся в ней примесей. 1.2. Состав примесей природных вод Природная вода представляет собой многокомпонентную динамическую сис¬ тему, в состав которой входят газы, минеральные и органические вещества, находящиеся в истинно растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях, а также микроорганизмы. В виде ионов, недиссоциированных молекул, коллои¬ дных и взвешенных частичек в природных водах содержится свыше 50 элементов, однако только некоторые из них встре¬ чаются в значительных количествах. Из растворенных в природных водах газов наиболее важными для оценки качества воды являются С02, 02, H2S, N2 и СН4. Их содержание в воде во мно¬ гом зависит от природы и парциального давления газа, температуры, состава вод¬ ной среды и других факторов. Растворимость газа С в воде опреде¬ ляют по формуле С = Кр, где К — коэффициент пропорциональ¬ ности, равный растворимости газа в воде при данной температуре и его пар¬ циальном давлении 0,1 МПа; р — парциальное давление газа, МПа. Из веществ, диссоциирующих в вод¬ ных растворах на ионы, в воде раство¬ ряется большинство минеральных со¬ лей, кислот и гидроксидов. Наиболее часто в природных водах встречаются гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты щелочно-земельных и щелочных метал¬ лов, в меньшей мере — их нитраты, нит¬ риты, силикаты, фториды, фосфаты и др. Значительным поставщиком органи¬ ческих веществ в природную воду яв¬ ляется почвенный гумус, продукты жиз¬ недеятельности и разложения раститель¬ ных и животных организмов, сточные воды бытовых и промышленных предпри¬ ятий. Наличие в воде взвешенных веществ свидетельствует о ее загрязненности твердыми нерастворимыми примесями — частичками глины, песка, ила, водорос¬ лей и другими веществами минерально¬ го или органического происхождения. Загрязненность воды микроорганиз¬ мами зависит от происхождения и ха¬ рактера источника. Наиболее чистыми в этом отношении являются артезиан¬ 9
ские воды, но и они могут загрязняться вследствие транспортирования их по тру¬ бам и нарушения санитарного режима в местах водозабора. Особенно подверже¬ ны загрязнению микроорганизмами по¬ верхностные воды, поэтому использова¬ ние их в неочищенном виде всегда пред¬ ставляет большую опасность в связи с возможностью возникновения и распро¬ странения инфекционных заболеваний. Газы. Содержащийся в воде раство¬ ренный 02 поступает из атмосферного воздуха, а также образуется в резуль¬ тате фотосинтеза водорослями органи¬ ческих веществ (углеводов) из неорга¬ нических (Н2С02, Н20). Содержание 02 в воде уменьшается вследствие протека¬ ния процессов окисления органических веществ и потребления его живыми ор¬ ганизмами при дыхании. Резкое уменьшение содержания 02 в воде по сравнению с нормальным сви¬ детельствует о ее загрязнении. Кислород способствует усилению коррозии метал¬ ла котлов, теплообменной аппаратуры, теплосетей и водопроводных труб. При повышенном содержании 02 в воде, на¬ оборот, вследствие пассивации поверх¬ ности за счет образования оксидных пленок возможно устранение коррозии. Растворимость кислорода в воде за¬ висит от температуры (табл. 1.1) и давле¬ ния. Присутствие в природных пресных во¬ дах растворенного С02, являющегося ан¬ гидридом очень слабой угольной кисло¬ ты, обусловлено биохимическими процес¬ сами окисления органических веществ, содержащихся в водоемах и в почве, а также дыханием водных организмов Таблица 1.1. Зависимость растворимости кисло¬ рода в воде чистых поверхностных источников от температуры (Р — 101,325 кПа) Темпера¬ тура, °С Раствори¬ мость Ог, мг/л Температура, °С Раствори¬ мость 02, мг/л 0 14,6 35 7,0 5 12,8 40 6,5 10 11,3 50 5,6 15 10,1 60 4,8 18 9,5 70 3,9 20 9,1 80 2,9 25 8,3 90 1,6 30 7,5 100 0,0 Таблица /.2. Зависимость растворимости оксида углерода (IV) в воде от температуры (Р = 101,325 кПа) Темпера¬ тура, °С Раствори¬ мость со2, мг/л 'Темпера¬ тура. °С Раствори¬ мость С02. мг/л 0 3,371 30 1,324 5 2,808 40 1,055 10 2,360 50 0,866 15 2,001 60 0,719 20 1,723 70 0,625 25 1,511 80 0,552 и выделением его при геохимических процессах. Зависимость растворимости С02 в во¬ де при его равновесном содержании пред¬ ставлена в табл. 1.2. Однако фактическое содержание С02 в природных водах в ряде случаев бывает повышенным про¬ тив значений, приведенных в табл. 1.2. Это объясняется тем, что в процессе окисления органических веществ, бро¬ жения органических остатков, дыхания водных организмов, а также в резуль¬ тате сложных геохимических процессов, связанных с метаморфизацией осадочных пород, для достижения его равновес¬ ного состояния требуется длительный контакт воды с атмосферным воздухом. При кратковременном контакте воды с воздухом равновесное содержание С02 в воде достигается не всегда. Оксид углерода (IV) в сочетании с гидрокарбонатами обусловливает буфер¬ ную емкость воды. Угольная кислота встречается в при¬ родных водах в форме недиссоциирован- ных молекул Н2С03, гидрокарбонатных НСОГ и карбонатных СОз- ионов. Фор¬ му содержащейся в воде угольной кис¬ лоты, диссоциирующей ступенчато, мож¬ но определить по константам диссоциа¬ ции. Последние рассчитывают обычно на общее содержание С02 и Н2С03. Для этого необходимо знать значения кон¬ стант и концентрации любых двух ио¬ нов, входящих в уравнение диссоциации: Н2С03 Н+ + HCOJ-; HCOf Н+ -f COjj-; [Н+] [НС03-] _ Kl - |Н2С03] 10
[Н+1 [СО*-] 2 [HCOf] (при 25 °С Кг = 4,45 • 10-7, К2 = 5,6 • 10~и). Количественные соотношения между Н2С03, С02, НСОГ и СОз-определяются значениями pH воды (табл. 1.3). Угольная кислота может находиться в свободном и в связанном состояниях. Под свободной угольной кислотой по¬ нимают сумму Н2С03 + С02. Поскольку в природных водах концентрация недис- социированных молекул угольной кис¬ лоты Н2С03 составляет лишь доли про¬ цента от общего количества свободной угольной кислоты, в качестве последней без заметной погрешности принимают концентрацию С02. В воде поверхностных источников содержание С02 не превышает 20— 30 мг/л, в подземных неминерализован¬ ных водах — 40 мг/л. В подземных водах С02 появляется в результате процессов разложения органических соединений, а также в результате биохимических про¬ цессов. Повышенное содержание свобод¬ ной угольной кислоты в воде обычно на¬ блюдается при очистке природных вод ко¬ агулированием, поскольку введение каж¬ дого миллиграмма безводных Al2 (S04)3 или FeCl3 сопровождается выделе¬ нием 0,8 мг С02: Al, (S04), + ЗСа (НС03)2 = 2А1 (OH)3j + -f- 30aS04! -j- 6C02f. Связанная угольная кислота входит в состав гидрокарбонатов и карбонатов. В природных водах содержание карбо¬ натов обычно невелико, за исключением содовых вод, и зависит от растворимос¬ ти карбоната кальция. Поэтому под связанной угольной кислотой понимают кислоту, входящую в состав гидрокар¬ бонатов. Содержание их в воде обуслов¬ ливает так называемый щелочной ре¬ зерв (щелочность) воды. Под общей щелочностью воды подразу¬ мевается сумма содержащихся в воде гидроксильных ионов ОН- и анионов слабых кислот, например, угольной (НСОГ, СОз-). Поскольку в большинстве природных вод преобладают карбонаты, обычно различают лишь гидрокарбонат¬ ную и карбонатную щелочность. При некоторых приемах обработки воды и при pH >8,5 возникает гидратная ще¬ лочность. Общую щелочность воды Щ можно вы¬ разить уравнением Щ = [НС03-] + 2 [СО*-] + [ОН-] + [ВО^] + + [Н2РО-] + 2 [HPOJ-] + 3 ]РО|-] + [HS-] + + [HSiO^] + [Гуматы] — ]Н"*"]. Этот показатель, определяющий бу¬ ферную емкость природных вод, имеет большое значение в химической тех¬ нологии водоподготовки. Гидрокарбонаты наиболее распростра¬ нены в природных водах. Для поддер¬ жания высоких концентраций ионов НСОГ необходимо большое количество С02. В поверхностных водах это не ре¬ ально, поэтому в реках и пресных озе¬ рах содержание НСОГ редко превы¬ шает 250 мг/л (например, в р. Урал — 122 мг/л, в р. Волга — 144, в р. Дон — 158,5, в р. Вологда — 433 мг/л). Наи¬ более устойчивы в речной воде ионы НСОГ при концентрации 50—70 мг/л. Различные формы угольной кислоты в водных растворах связаны так назы¬ ваемым динамическим углекислотным равновесием со2 + Н20 «± Н2С03 Н+ + НСОГ 54 2Н+ + СО3-. При наличии ионов Са2+ углекис¬ лотное равновесие выражается урав¬ нением Са2+ + 2НСОГ СаСОэ + СОа + Н20. По закону действующих масс кон¬ станта равновесия этой реакции [СаСР3| [СР2| [Н20| 1 [Са2+] [НСОГ]3 Таблица 1.3. Соотношение форм угольной кислоты в воде при различных значениях pH (< = 25° С) Значение pH Форма угольной 4 5 6 7 * 9 10 1" 12 кислоты Содержание % со2 + + Н2С03 100 95 70 20 2 нсог — 5 30 80 98 95 70 17 2 п о СО to 1 5 30 83 98 11
Если учесть, что концентрация [Н20] и [СаС03] — постоянные величины и мо¬ гут быть введены в константу, а [Са2+] = = 2ШСОП, то К2 = - [С°г] . [НСО^-] Из этого выражения видно, что ионы НСОз“ существуют в растворе только при наличии свободной угольной кис¬ лоты. Часть свободной угольной кис¬ лоты, находящейся в равновесии с гид¬ рокарбонатами, называется равновесной. Она как бы связана с гидрокарбонатами и поэтому не вступает в химические реак¬ ции. Избыточная свободная угольная кис¬ лота в отличие от равновесной, очень активна и называется агрессивной. Од¬ нако не вся избыточная свободная уголь¬ ная кислота агрессивна. Часть ее, дей¬ ствуя на карбонат кальция, превращает его в гидрокарбонат, а другая часть переходит в равновесную угольную кис¬ лоту для удержания в растворе вновь образовавшегося гидрокарбоната. В водах открытых водоемов из-за низ¬ кого содержания С02 в атмосферном воз¬ духе присутствие агрессивной угольной кислоты маловероятно. В подземных водах, наоборот, ее содержание иногда бывает весьма значительным. Состав форм угольной кислоты в воде иллюстрирует такая схема: При увеличении концентрации гидро¬ карбоната кальция в воде количество равновесной угольной кислоты значитель¬ но повышается. Поэтому вероятность на¬ личия агрессивной угольной кислоты для мягких вод больше, чем для жестких. Увеличение степени минерализации во¬ ды приводит к уменьшению в ней коли¬ чества свободной угольной кислоты, не¬ обходимой для поддержания углекислот¬ ного равновесия. Это обусловливает бо¬ льшую агрессивность воды, содержащей много солей, при равном содержании свободной угольной кислоты. Особенно благоприятные условия для накопления агрессивной угольной кис¬ лоты создаются в период весеннего па¬ водка, когда из-за высокой мутности или цветности очищаемой воды приходится вводить повышенные дозы коагулянта. Агрессивные свойства угольной кис¬ лоты объясняются ее способностью взаи¬ модействовать с карбонатными породами и переводить их в растворимые в воде гидрокарбонаты СаС03 + С02 + Н20 ?± Са (НС03)2, а также некоторым снижением pH среды, в результате чего усиливается электро¬ химическая коррозия металлов, например железа. Действие агрессивной угольной кис¬ лоты на бетон состоит в растворении карбоната кальция, образующегося при твердении цемента, и переходе его в хорошо растворимый гидрокарбонат. 2Ca3Si05 + 6НгО = Ca3Si207 X 1 X 3H20 + ЗСа (ОН)2 I Твердение Са (ОН)2 + С02 = СаС03 + Н20 J СаС03 -f- С02 + Н20 = Са (НС03)2) Коррозия Растворение карбоната кальция нару¬ шает равновесие и приводит к разло¬ жению других компонентов цемента. Аналогично действует угольная кисло¬ та на металлические трубы. Вначале в ней растворяются карбонаты, являю¬ щиеся составной частью ржаво-карбо¬ натных отложений в водопроводной се¬ ти, затем материал труб подвергается электрохимической коррозии с образо¬ ванием новых отложений. Присутствие в воде агрессивной уголь¬ ной кислоты может ухудшать работу очи¬ стных сооружений за счет усиленного за¬ растания отстойников сине-зелеными водорослями и засорения фильтров пу¬ зырьками газа. Сероводород встречается в основном в подземных водоисточниках, образуясь в результате процессов восстановления и разложения некоторых минеральных 12
Таблица 1.4. Соотношение форм сероводорода при различных значениях pH воды (t = 25 °С) Форма сероводорода Значение pH 4 5 • 7 1 7-5 8 8.5 9 10 Содержание, % H2S 99,9 98,9 91,8 52,9 26 10,1 3,4 1,1 0 HS- 0,1 1,1 8,2 47,1 74 89,9 96,6 98,89 99,9 S2- — — — — — — — 0,01 0,1 солей (гипса, серного колчедана и др.). В поверхностных водах он почти не встречается, так как легко окисляется. Появление его в поверхностных источ¬ никах может быть следствием проте¬ кания гнилостных процессов или сброса неочищенных сточных вод. В зависимости от величины pH кроме газообразного растворенного H2S в во¬ де могут присутствовать ионы HS~ и S2-\ Соотношение форм сероводорода при различных pH воды приведено в табл. 1.4. Форму сероводорода можно опреде¬ лить также по константам его диссоциа¬ ции: HjS г± Н+ + HS-; HS- H++S2-; [Н+] [S2 ] - [HS—I (при 25 °С Kt = 6 • 10—8, К2= 1 • ю-14). Наличие в воде сероводорода придает ей неприятный запах, ощущаемый уже при его концентрации 0,5 мг/л, интен¬ сифицирует процесс коррозии трубопро¬ водов и вызывает их зарастание вследст¬ вие развития серобактерий. Появление азота в природных водах связано с поглощением его из воздуха, восстановлением соединений азота ди¬ нитрифицирующими бактериями и раз¬ ложением органических остатков. Рас¬ творимость азота в воде значительно меньше, чем кислорода, однако в связи с высоким парциальным давлением азо¬ та в воздухе, в природных водах его больше, чем кислорода (табл. 1.5). Метан чаще всего встречается в под¬ земных водах. Его наличие обусловлено разложением микроорганизмами клет¬ чатки растительных остатков. В поверх¬ ностные воды метан может попадать в ре¬ зультате сброса неочищенных сточных вод. В природной воде содержание ме¬ тана может достигать 30 мг/л. Взвешенные вещества. Взвешенные ве¬ щества попадают в воду в результате смыва твердых частичек (глины, песка, лесса, илистых веществ) верхнего покро¬ ва земли дождями или талыми водами во время весенних и осенних паводков, а также в результате размыва русел рек. Наименьшая мутность водоемов наблюдается зимой, когда они покрыты льдом, наибольшая — весной в период паводка, а также летом вследствие вы¬ падания дождей, таяния снега в горах и развития мельчайших плавающих жи¬ вых организмов и водорослей. Повыше¬ ние мутности воды может быть вызвано выделением некоторых карбонатов, гид¬ роксидов алюминия, марганца, высоко¬ молекулярных органических примесей гумусового происхождения, появлением фито- и зоопланктона, окислением со¬ единений железа (II) кислородом возду¬ ха, сбросом неочищенных производст¬ венных сточных вод и др. Взвешенные вещества имеют различ¬ ный гранулометрический состав, кото¬ рый характеризуется гидравлической крупностью, выражаемой как скорость осаждения частичек при температуре 10 °С в неподвижной воде (табл. 1.6). Таблица 1.5. Зависимость растворимости азота в воде от температуры (Р = 101,325 кПа) Темпера¬ тура, °С Раствори¬ мость Njs, см3/л Темпера¬ тура, °С Раствори¬ мость n2, см3/л 0 23,3 1 50 9,6 10 18,3 60 8,2 20 15,1 80 5,1 30 12,8 100 0 40 11,0 13
Таблица 1.6. Гидравлическая крупность взвешенных веществ в природных водах I Взвешенное вещество Гидравлнческая крупность частичек, мм/с Приблизительный размер частичек, мм Длительность осаж¬ дения частичек на глубину 1 м Песок крупный 100 1,0 10 с средний 50 0,5 20 с мелкий 7 0,1 2,5 мин Ил крупный 1,7—0,5 0,05—0,027 10—30 мин мелкий 0,07—0,017 0,01—0,005 4—18 ч Глина крупная 0,005 0,0027 2 сут тонкая 0,0007—0,00017 0,0001—0,0005 0,5-^-2 мес Коллоидные частички 0,000 007 0,0002—0,000 001 4 года На территории СССР зона водоемов с содержанием взвешенных веществ ме¬ нее 50 мг/л соответствует географиче¬ ским зонам тундры и тайги. В степных районах содержание взвешенных веществ в реках достигает 150—500 мг/л. Наи¬ большей мутностью характеризуются во¬ ды рек, вытекающих из гор Кавказа и Средней Азии. На территории СССР самую высокую среднегодовую мутность имеет вода реки Аксай — 11 700 мг/л. Наличие в воде взвешенных веществ препятствует использованию ее для хо¬ зяйственно-питьевых целей, в теплоэнер¬ гетике, на заводах для приготовления пищевых продуктов, при производстве бумаги, тканей, кинопленки и пр. Согласно ГОСТ 2874—82, мутность питьевой воды по стандартной шкале должна составлять не более 1,5 мг/л. Органические вещества. Самыми зна¬ чительными поставщиками органических веществ в природную воду являются поч¬ венный и торфяной гумус, продукты жизнедеятельности и разложения расти¬ тельных и животных- организмов, сточ¬ ные воды бытовых и промышленных предприятий. Для технологии очистки воды наибольший интерес представляют гумусовые вещества, окрашивающие при¬ родные воды в различные оттенки жел¬ того и бурого цветов. Гумусовые ве¬ щества представляют собой высокомо¬ лекулярные соединения, содержащие плоские сетки циклически полимеризо- ванного углерода и боковые цепи ли¬ нейно полимеризованного углерода с атомными (Н, О и др.) и функциональ¬ ными (— ОН, — СООН) группами. Они разделяются на гуминовые, ульминовые, креповые, апокреновые (фульвокислоты) и другие кислоты, а также их раствори¬ мые в воде соли. Гуминовые и апокреновые кислоты могут находиться в почве в свободном состоянии, в виде солей с катионами щелочных и щелочно-земельных ме¬ таллов, комплексных и внутрикомплекс- ных соединений с железом, алюминием, марганцем, медью и, наконец, в виде адсорбционных органо-минеральных со¬ единений. Наземная растительность, высшие водные растения, актиномицеты и фито¬ планктон выделяют бесцветные или ок¬ рашенные, без запаха или с запахом вещества, часть из которых превращает¬ ся в гумусовые соединения. Для водоемов особую опасность пред¬ ставляют сточные воды, в составе ко¬ торых есть белки, жиры, углеводы, ор¬ ганические кислоты, эфиры, спирты, фе¬ нолы, нефть и др. Степень окраски природных вод, вы¬ ражаемая в градусах платиново-кобаль- товой шкалы, называется цветностью. В СССР наибольшую цветность имеют природные поверхностные воды рек и озер, расположенных в зонах торфяных болот и заболоченных лесов, наимень¬ шую — в лесостепных и степных зонах. Зимой содержание органических ве¬ ществ в природных водах минимальное, однако в период половодья и паводков, а также летом в период массового разви¬ тия водорослей — «цветения» водое¬ мов — оно повышается. Наличие в воде органических веществ резко ухудшает органолептические по¬ казатели воды, вызывая различного ро¬ 14
да запахи (землистый, гнилостный, рыб¬ ный, болотный, аптечный, камфорный запах нефтепродуктов, хлорфенольный и т. д.), повышает цветность, вспенивае- мость, оказывает неблагоприятное дей¬ ствие на организм человека и живот¬ ных. Ионы. В большинстве случаев природ¬ ные воды содержат ионы Na+, К+, Са2+, Mg2+ и НСОГ, SO;-, СГ. Ка¬ тионы Н+, NH4+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Al3+ и другие и анионы ОН-, СОз-, ЙОГ, NOr, F-, Вг-, I-, НР042-, HSOr, HSiOr, ВОГ, HS- и другие в природной воде встречаются в незна¬ чительном количестве, однако их влия¬ ние на свойства и качество воды иногда также очень велико. В природных водах в большом коли¬ честве присутствует семь основных ионов. О. А. Алекин предложил класси¬ фицировать природные воды в зависи¬ мости от преобладающего аниона. Со¬ гласно этой классификации, природные воды делят на три больших класса: гидрокарбонатные (и карбонатные), сульфатные и хлоридные. Каждый класс по преобладающему катиону (Са2+, Mg2+ и Na+, К+) делят на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. В свою очередь, в группах различают три типа вод, определяемых следующим соотношением: I — НСОГ> > Са2+ + Mg2+; II — НСОГ < Са2+ + + Mg2+ < НСОГ + SO2-; III — НСОГ + so!- < Са2+ 4- Mg2+. Ис¬ пользование этой классификации поз¬ воляет выяснить происхождение природ¬ ных вод и охарактеризовать их свойства. По содержанию ионов (солей) в воде определяют общую степень ее минера¬ лизации М М = 2 Кат + 2Ан, где 2 Кат — сумма катионов, мг/л; 2Ан — сумма анионов, мг/л. Для проверки правильности вычис¬ ления степени минерализации при¬ родной воды результаты пересчитывают в миллиграмм-эквиваленты на литр. При этом суммы концентраций в воде ка¬ тионов и анионов должны быть равными: Са2+ Mg2+ Na+ К+ 20,04 + 12,16 ■* 23,0 + 39,0 + so2- а- нсо3- 48,03 + 35,46 + 61,03 + SiO?— ^ 38,03 г В таком балансовом уравнении необ¬ ходимо учитывать содержание всех ионов, концентрация которых превышает 0,01 мг-экв/л. Хорошо выполненным считается анализ при расхождении меж¬ ду суммами в правой и левой частях уравнения ± 1 %; вполне допустимым— при расхождении ± 2—3 % (при малой степени минерализации). Если погреш¬ ность превышает 5 %, а при значитель¬ ной степени минерализации — 3 %, то анализ следует считать неточным. По¬ грешность анализа X рассчитывают по формуле где 2Ан, 21 Кат — соответственно суммы эквивалентных концентраций анионов и катионов. С учетом степени минерализации при¬ родные воды делят на пресные, минера¬ лизованные, с морской соленостью и рассолы — соответственно содержащие до 1, от 1 до 25, от 25 до 50 и свыше 50 г/л солей. О содержании в природных водах со¬ лей можно судить по количеству сухого остатка и потере массы при прокали¬ вании. Сухой остаток, образующийся при выпаривании определенного объе¬ ма воды, предварительно профильтро¬ ванной через бумажный фильтр, состоит из минеральных солей и нелетучих ор¬ ганических соединений. Количество ор¬ ганических соединений в сухом остатке воды определяют по потере его массы при прокаливании. Основными химическими примесями речных вод, содержащих до 500—600 мг/л растворенных солей, являются ионы Са2+, Mg2+, Na+, НСОГ, SO?-, С1_. Маломинерализованные воды рек содержат преимущественно ионы Са2+ и нсог. По мере повышения степени минера¬ лизации речных вод содержание в них ионов Na+, SO4- и С1- увеличивается, а относительное содержание ионов Са2+ уменьшается, поскольку СаС03 и CaS04 15
осаждаются из-за малой растворимости (растворимость СаС03 составляет 0,013, CaS04 — 2,020 г/л). Вследствие лучшей растворимости MgC03 и MgS04 ионы Mg2+ могут содержаться в больших кон¬ центрациях. Подземные воды разнообразны по хи¬ мическому составу. Степень их минера¬ лизации зависит от условий залегания водоносного горизонта и колеблется от 100—200 мг/л до нескольких граммов на литр. В пресных артезианских водах преобладают ионы Са2+ и НСОГ. По мере повышения степени минерализа¬ ции подземных вод возрастает относи¬ тельное содержание ионов Na+, SO4-, С1-. Содержание солей в водах океанов и некоторых морей достигает 50 г/кг и более. Основными химическими приме¬ сями морских вод являются ионы Na+ и С1—, составляющие в сумме около 30 г/кг. Содержание солей в водах внутрен¬ них морей значительно меньше. Напри¬ мер, в воде Каспийского моря солей со¬ держится около 13, Черного —около 16, Балтийского — около 7,5 г/кг. Большое количество растворенных в воде солей ухудшает вкусовые каче¬ ства воды, в результате чего она может приобретать соленый, горький, сладкий и кислый вкус, а также различные при¬ вкусы. Порог вкусового восприятия со¬ левых добавок в воде характеризуется следующими концентрациями: NaCl — 165, СаС12 — 470, MgCl2 — 135, МпС12 — 1,8, FeCl2 — 0,35, MgS04 —250, CaS04— 70, MnS04 — 15,7, FeS04 — 1,6, NaHC03 — 450 мг/л. Ионы Na+ и K+ попадают в природ¬ ные воды в результате растворения ко¬ ренных пород. Так, большое количество Na+ поступает в воду в результате рас¬ творения залежей NaCl. Преобладание ионов Na+ над ионами К+ в природных водах объясняется большим поглощением калия почвами и извлечением его из воды растениями. Ионы Са2+ и Mg2+ присутствуют во всех минерализованных водах. Их ис¬ точником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. В ма¬ ломинерализованных водах больше все¬ го ионов Са2+. С увеличением степени минерализации воды содержание ионов Са2+ быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов Mg2+ в ми¬ нерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озе¬ рах — нескольких десятков граммов на 1 л воды. Ионы Са2+ и Mg2+ обуслов¬ ливают жесткость воды. Общая жесткость воды представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде в основном гидро¬ карбонатов кальция и магния, она поч¬ ти полностью устраняется при кипячении воды. Гидрокарбонаты при этом распа¬ даются с образованием угольной кис¬ лоты; в осадок выпадает карбонат каль¬ ция и гидроксид магния. Некарбонатная жесткость обусловле¬ на присутствием кальциевых и магние¬ вых солей серной, соляной и азотной кислот и при кипячении не устраняется. Хотя ионы Са2+ и Mg2+ и не прино¬ сят особого вреда живым организмам, однако наличие их в воде в большом количестве нежелательно, поскольку та¬ кая вода непригодна для хозяйственных нужд. В жесткой воде увеличивается расход мыла при стирке белья, медленно развариваются мясо и овощи. Жесткая вода непригодна и для систем оборотно¬ го водоснабжения, для питания паровых котлов и пр. Ионы Fe2+, Fe3+, Мп2+ в истинно растворенном состоянии находятся в очень небольших концентрациях. Боль¬ шая часть железа и марганца в природ¬ ных водах содержится в виде коллои¬ дов и суспензий. В подземных водах преобладают соединения железа и мар¬ ганца в виде гидрокарбонатов, сульфа¬ тов и хлоридов, в поверхностных — в виде органических комплексных соеди¬ нений (например, гуминовокислых) или в виде высокодисперсной взвеси. В поверхностных водах средней поло¬ сы СССР содержится от 0,1 до 1 мг/л железа и от 0 до 0,05 мг/л марганца, в подземных водах содержание железа часто превышает 15—20 мг/л, концентра¬ ция марганца колеблется в пределах 0,5—3 мг/л. Не оказывая в небольших количест¬ вах вредного влияния на здоровье лю¬ дей, железо и марганец придают воде неприятную красновато-коричневую или 16
Таблица 1.7. Соотношение форм кремниевой кислоты в воде при различных значениях pH (t = 25° С) Значение pH Форма кремниевой 5 6 7 8 9 10 li Содержание, % H2Si03 100 99,9 99,0 90,9 50,0 8,9 0,8 HSiOf — 0,1 1,0 9,1 50,0 91,0 98,2 SiO2— — — — — — 0,1 1,0 черную окраску, ухудшают ее вкус, вызывают развитие железобактерий, от¬ ложение осадка в трубопроводах и их засорение. Соединения азота встречаются в при¬ родной воде в виде ионов NH^, NOIT и N0^. Появление этих ионов в при¬ родных водах связано с разложением различных сложных органических ве¬ ществ животного и растительного проис¬ хождения, а также с разложением бел¬ ковых веществ, попадающих в водое¬ мы с бытовыми сточными водами. Нитраты содержатся главным образом в поверхностных водах (до 0,001— 0,003 мг/л), нитриты — в артезианских (десятые доли миллиграмма в литре). Повышенное содержание нитратов (>50 мг/л) в воде, постоянно используе¬ мой для питья, приводит к нарушению окислительной функции крови — мет- гемоглобинемии. Конечный продукт разложения бел¬ ковых веществ — аммиак. Наличие в воде аммиака растительного или мине¬ рального происхождения не опасно в санитарном отношении. Если же аммиак образуется в результате разложения белка сточных вод, такая вода непригод¬ на для питья. Содержание азота аммонийных солей в речной воде в зависимости от степени ее загрязнения колеблется от0до1 мг/л. Кремний присутствует в природных водах в виде ионов, молекул и коллоид¬ ных частичек. Форма содержания крем¬ ниевой кислоты в воде зависит от многих факторов и, в первую очередь, от ее ион¬ ного состава и значения pH (табл. 1.7). Кремниевая кислота H2Si03 диссо¬ циирует в две стадии: H2SiO., H+ + HSi0.f; HSiO^ ?± H+ + SiO^~; [H+I fHSiOfl [H+] [SiO| ] 1 |H2SiCy ’ Ki [HSi03-| (при 25 °C /fj = 1 • 10~10, K2 = 2 • 10-12). Содержание кремния в природных водах в пересчете на SiOf- обычно до¬ стигает 0,6—40 мг/л и лишь в отдельных случаях может повышаться до 65 мг/л. Кремниевая кислота не вредна для здо¬ ровья, однако повышенное содержание ее в воде делает воду непригодной для питания паровых котлов из-за образова¬ ния силикатной накипи. Содержание ионов СГ~и S024~ в природ¬ ных водах колеблется в широких пре¬ делах (от долей миллиграмма до несколь¬ ких граммов на литр) и обусловлено вымыванием солесодержащих пород или сбросом в водоемы промышленных и бытовых сточных вод. Наличие в воде более 350 мг/л хло¬ ридов или 500 мг/л сульфатов придает ей соленоватый привкус и приводит к нарушению функционирования пищевари¬ тельной системы у людей. Вода с большим содержанием ионов С1~ и SOI- имеет так¬ же повышенную коррозионную актив¬ ность, более высокую некарбонатную жесткость, разрушающе действует на железобетонные конструкции. Соединения фосфора встречаются в природных водах в небольших количе¬ ствах в виде НРО!“ионов и органических комплексов фосфорной кислоты или в виде взвешенных частичек органи¬ ческого и минерального происхож¬ дения. В природных водах в очень малых количествах содержатся ионы F~, Вг~, I— и др. Эти микроэлементы значитель¬ но влияют на здоровье человека. Так, недостаток или избыток фтора в питье¬ вой воде вызывает разрушение зубов
и изменения в скелете, отсутствие или недостаток иода приводит к заболеванию людей эндемическим зобом и т. д. Допустимые концентрации некоторых микроэлементов в хозяйственно-питье¬ вой воде установлены ГОСТ 2874—82 (см. второй форзац). В состав природных вод могут вхо¬ дить также ионы радиоактивных эле¬ ментов, поступающих в воду в результа¬ те вымывания радиоактивных минера¬ лов или в результате испытаний атом¬ ного оружия и сброса отработанных вод атомных реакторов. ГОСТ 2874—82 также ограничивает содержание ра¬ диоактивных элементов в питьевой воде. Ионы Pb2+, Си2+, Sr2+, Zn2+, S^6+, /4s3+, /4s5+ и многие другие, относящиеся к ядовитым, в природных водах в естественном состоянии встре¬ чаются, как правило, в незначительных количествах и попадают в них в больших количествах в результате сброса не¬ очищенных бытовых и промышленных сточных вод. Наличие в воде нескольких милли¬ граммов на литр ядовитых веществ ока¬ зывает вредное влияние на здоровье человека и теплокровных животных, а также губительное действие на рыб и их кормовые ресурсы, тормозит про¬ цессы самоочищения водоемов. К этой группе веществ относятся Be, Mo, As, Pb, Se, Sr, Си, Zn и др., а также неко¬ торые органические вещества. Если в воде находятся такие химиче¬ ские вещества с одинаковым лимитирую¬ щим признаком вредности, сумма от¬ ношений обнаруженных концентраций этих веществ в воде к их ПДК не должна превышать 1. Расчет ведется по формуле + + пдк„ где си с2, ..., сп — обнаруженные кон¬ центрации токсических веществ, мг/л. Природные воды населяет огромное количество микро- и макроорганизмов животного и растительного происхож¬ дения: вирусы, бактерии, простейшие, водоросли, высшие растения и живот¬ ные, которые также существенно вли¬ яют на физико-химический состав воды. 1.3. Требования к качеству природных вод и их классификация Качество воды природных источников определяют по наличию в ней веществ неорганического и органического про¬ исхождения, а также микроорганизмов и характеризуют различными физиче¬ скими, химическими, бактериологичес¬ кими и биологическими показателями. К физическим показателям относятся температура, запах, вкус, мутность, цветность, электропроводимость. Химическими показателями качества воды являются общее количество рас¬ творенных веществ, или сухой остаток, прокаленный остаток, активная реак¬ ция, или pH воды, окисляемость, ще¬ лочность, содержание газов, наличие азот¬ содержащих соединений, хлоридов, сульфатов, железа, марганца, кальция, магния, некоторых ядовитых и радио¬ активных веществ. Бактериологические, или санитарные, показатели характеризуют общую бак¬ териальную загрязненность воды, а так¬ же содержание в ней бактерий кишечной палочки (бактерий coli). Биологические показатели определя¬ ют наличие водных организмов, нахо¬ дящихся на поверхности (планктон) и в толще (нейстон) воды или располагаю¬ щихся у дна водоема, берегов и на по¬ верхности подводных предметов (бен¬ тос). Требования к качеству природных вод могут быть самыми различными и зависят от целевого назначения вод. Выбор и оценка качества источников централизованного хозяйственно-питье¬ вого водоснабжения должны произ¬ водиться в соответствии с требования¬ ми ГОСТ 17.1.03—77 «Правила выбора и оценка качества источников центра¬ лизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения». В соответствии с требо¬ ваниями стандарта пригодность источ¬ ников водоснабжения устанавливает¬ ся на основе комплексной оценки са¬ нитарного состояния места размещения водозаборных сооружений и прилегаю¬ щей территории для подземных водоис¬ точников, а также выше и ниже водо¬ забора для поверхностных водоисточ¬ ников, качества воды водоисточников с 18
учетом указаний ГОСТ 2874—82, сте- ! пени природной и санитарной надеж-' ности и стабильности их санитарного состояния. В соответствии с п. 1.6 (ГОСТ/ 17.1.3.03—77) разрешается использовать источники водоснабжения, выбор кото-1 рых согласован с органами и учреждения- v ми санитарно-эпидемиологической служ¬ бы Министерства здравоохранения СССР и союзных республик, а также с меди¬ цинскими службами других ведомств, на которые возложено решение этого вопроса. Выбор источника производственного водоснабжения производят с учетом тре¬ бований, предъявляемых потребителя¬ ми к качеству воды. Различают воду, используемую для: 1) хозяйственно-питьевых целей, а так¬ же в отдельных отраслях пищевой и бро¬ дильной промышленности; 2) сельско¬ хозяйственных целей — для орошения, в животноводстве; 3) охлаждения; 4) па¬ росилового хозяйства; 5) технологи¬ ческих целей промышленности; 6) за- однения нефтяных пластов. £}' Хозяйствешмьпитьевая вода. В СССР Технические и гигиенические требования и нормы качества воды, подаваемой цент¬ рализованными водопроводами для хо¬ зяйственно-питьевых целей, установле¬ ны ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая» (второй—-форзац)^ Отвечающая требо¬ ваниям ГОСТа вода должна быть без¬ опасной в эпидемиологическом отно¬ шении, безвредной по химическому со¬ ставу и обладать высокими органолеп¬ тическими качествами. ( Оптимальная температура воды для питьевых целей 7—11 °С. Наиболее близки к этим ycf^ ловиям воды подземных источников. И в первую очередь рекомендуется ис пользовать для хозяйственно-питьевых целей. Водородный показатель pH большин¬ ства природных вод близок к 7. Постоян¬ ство pH воды имеет большое значение для нормального протекания в ней био¬ логических и физико-химических про¬ цессов, приводящих к самоочищению. Для воды хозяйственно-питьевого на¬ значения он должен находиться в пре¬ делах 6,0—9,0. Кроме указанных в ГОСТ 2874—82 допустимых концентраций токсичных хи¬ мических веществ в воде Министерств здравоохранения СССР установило для источников централизованного водоснабд жения предельно допустимые концентра- \ ции химических веществ, попадающих \ в водоисточники с бытовыми, промыш¬ ленными и сельскохозяйственными за-) грязнениями.» При отсутствии официальУ ШХ" норм предельно допустимые кон¬ центрации вредных веществ устанавли¬ ваются органами санитарно-эпидемио¬ логической службы в каждом отдельном случае. При попадании в источники водо¬ снабжения токсичных химических ве¬ ществ органы Государственного сани¬ тарного надзора контролируют содер¬ жание этих веществ в воде и проводят мероприятия по устранению их поступ¬ ления в водоемы. Если устранить за¬ грязнение водоема токсичными веще¬ ствами невозможно, предусматриваются надежные методы очистки воды. Всемирной Организацией Здравоох¬ ранения (ВОЗ) издаются Международ¬ ные и Европейские стандарты на питье¬ вую воду, в которых приводятся тре¬ бования к качеству воды по химическим и бактериологическим показателям. В Международных стандартах на пить¬ евую воду изложены минимальные нор¬ мы, которые в настоящее время могут .быть достигнуты во всех странах мира. В Европейских стандартах установлены более жесткие требования к качеству воды и по большему числу показателей. К воде, используемой в пищевой и бро¬ дильной промышленности, предъявля¬ ются такие же требования, как и к питьевой. — —— — — <d На некоторых производствах к воде предъявляются специфические требова- ния,1-'Так, вода, идущая на-винокурен¬ ное производство, не должна содержать хлоридов кальция и магния, влияющих на жизнедеятельность дрожжей. Вода, применяемая для пивоварения, не дол¬ жна содержать гипса, препятствующего брожению солода; вода, используемая в производстве сахара, должна обладать низкой степенью минерализации, по¬ скольку повышенная концентрация со¬ лей затрудняет варку и кристаллиза¬ цию сахара. В ней также не допускается наличие гниющих веществ, обусловли¬ вающих брожение в диффузорах. Вводе, 19
используемой в крахмальном произ¬ водстве, должны отсутствовать железо и другие вещества, окрашивающие крах¬ мал. Вода, используемая в сельском хо¬ зяйстве. Необходимо, чтобы вода, пред¬ назначенная для поения животных и птицы, в основном отвечала требова¬ ниям, предъявляемым к воде для хозяй¬ ственно-питьевых целей. Однако по та¬ ким показателям, как цветность, проз¬ рачность и запах, требования могут быть несколько снижены. Температура воды по возможности должна составлять 8—15 °С. Допустимая степень минера¬ лизации воды определяется ее вкусовыми качествами. Предельная степень минерализации во¬ ды для орошения, используемой в ир¬ ригационных системах, не превышает 1,5 г/л. Превышение допустимых кон¬ центраций солей может привести к за¬ солению почв, снижению или даже ги¬ бели урожая. Установленных норм качества воды для орошения не существует: допустимая степень ее минерализации может менять¬ ся в широких пределах в зависимости от условий полива, дренажа, метеорологи¬ ческих ^агротехнических факторов. Во¬ да со степенью минерализации до 1 г/л пригодна для орошения во всех случаях. При плохих условиях дренажа и плохо фильтрующих грунтах содержание со¬ лей не должно превышать приведенной выше нормы. Хлорид натрия, сульфаты натрия и магния и особенно карбонат натрия засоляют почвы и делают их непригод¬ ными для агротехнических целей. Воду, содержащую сульфат кальция и карбо¬ нат магния в умеренном количестве, можно использовать для орошения. Вода для охлаждения. Вода, широко используемая для охлаждения действую¬ щих агрегатов, химической аппаратуры, доменных и мартеновских печей, пара, жидких и газообразных продуктов в холодильниках, не должна давать от¬ ложений, вызывать биологические об¬ растания и коррозию поверхностей. При¬ чинами образования отложений являют¬ ся: нестабильность состава природной воды; наличие в ней неорганической взве¬ си (песка, ила, глины), увеличивающей толщину накипи; органических соедине¬ ний, вызывающих биологическое обрас¬ тание поверхностей бактериями, гри¬ бами, водорослями и другими организ¬ мами; минеральных веществ, образую¬ щих накипь. В такой воде должно со дер-* жаться не более 0,1 мг/л железа и не более 2—7 мг-экв/л карбонатов. Поскольку специальных норм, регла¬ ментирующих качество охлаждающей во¬ ды, нет, то требования к ней устанавли¬ ваются в каждом конкретном случае с учетом соотношения температур воды и охлаждаемых поверхностей, величины карбонатной жесткости, содержания же¬ леза, свободной угольной кислоты, взве¬ шенных веществ, микроорганизмов, сис¬ темы водоснабжения (прямоточная или оборотная) и т. д. Однако во всех слу¬ чаях она должна иметь возможно более низкую температуру и не создавать бла¬ гоприятных условий для развития биоло¬ гических обрастаний. Вода для паросилового хозяйства. Нор¬ мы качества питательной воды зави¬ сят от типа современных котлов и давле¬ ния. В такой воде должны отсутство¬ вать взвеси, соли, обусловливающие жесткость, растворенный кислород, по¬ скольку наличие этих веществ вызывает отложение накипи, вспенивание котловой воды, унос солей с паром и коррозию металла. Вода для технологических целей про¬ мышленности. Различают воду: а) ис¬ пользуемую при добыче, отмывке, гид¬ ротранспортировке, сортировке и обо¬ гащении полезных ископаемых и другого сырья (в такой воде не допускается на¬ личие низкодисперсных взвешенных час¬ тичек); б) соприкасающуюся с продук¬ цией; в) входящую в состав продукта. В случаях б) и в) требования к воде специфичны и диктуются не только отдельными видами производства, но и принятой технологической схемой. В некоторых случаях эти требования бо¬ лее высокие, чем предъявляемые к хо¬ зяйственно-питьевой воде. Так, в воде, применяемой в фотографии, не допуска¬ ется наличие железа, марганца, кремние¬ вой кислоты, больших количеств хло¬ ридов, органических веществ и т. д. Вода, используемая в хлопчатобумаж¬ ной промышленности для отбеливания и крашения тканей, должна иметь малую окисляемость, прозрачность 30 см по 20
шрифту, цветность —не более 10—15 град., pH = 7...8,5, содержание солей железа не более 0,1 мг/л. Жесткость во¬ ды для приготовления растворов мыла, красителей, кислот и щелочей не должна превышать 0,18—0,35 мг-экв/л. Про¬ зрачность воды, применяемой в шелко¬ вой промышленности, необходимо под¬ держивать не ниже 30 см по шрифту, цветность — не более 10 град., pH = = 7...8,1, она может содержать только следы солей железа, иметь жесткость не выше 0,18 мг-экв/л, а прозрачность воды, применяемой в производстве искусствен¬ ного волокна,—не менее 40 см по шрифту, жесткость — не выше 0,07 мг-экв/л, со¬ держание солей железа — не более 0,1 — 0,2 мг/л. Вода для заводнения нефтяных плас¬ тов. Закачиваемая вода должна быть совместима с пластовой водой и не вы¬ зывать осложнений при эксплуатации систем сбора и подготовки нефти. Со¬ гласно требованиям строительных норм, в воде может содержаться до 2 мг/л ме¬ ханических примесей, до 0,5 мг/л желе¬ за; в ней не допускается наличие нефте¬ продуктов. Требования к воде по жест- кости и содер жа н ию к я слорода цормами не регламентируются. Опыт эксплуатации систем заводнения показывает, что к нормированию ка¬ чества воды следует подходить дифферен¬ цированно, в зависимости от местных ус¬ ловий и коллекторских свойств пласта (ВСН 3—74). Наличие в воде примесей выше допустимых норм может привести к закупорке пор фильтрующей поверх¬ ности скважины и уменьшению порис¬ тости продуктивного пласта вследствие образования в нем нерастворимых соеди¬ нений. Глава 2 МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД 2.1. Выбор методов очистки воды на основе классификации примесей по фазово¬ дисперсному состоянию Необходимость очистки воды от загрязне¬ ний возникает в том случае, когда ка¬ чество воды природных источников не удовлетворяет предъявляемым требова¬ ниям. Несоответствие качества воды ис¬ точника требованиям потребителя опре¬ деляет выбор методов обработки воды. Наиболее общими и характерными признаками загрязняющих воду веществ являются формы нахождения их в во¬ де. Поэтому в основу принципа группи¬ ровки примесей и технологических прие¬ мов водоочистки JI. А. Кульский поло¬ жил понятие об их фазовом состоянии в воде. Это состояние в известной степени характеризуется дисперсностью ве¬ ществ и определяет закономерности, ко¬ торым подчиняются процессы, протека¬ ющие в водной среде. Предложенный принцип позволяет объе¬ динить в несколько групп разнообразные по химическим и физическим характерис¬ тикам примеси природных, технических и сточных вод и научно обосновать тех¬ нологические приемы водообработки. Ис¬ ходные его положения можно сформули¬ ровать так. 1. Фазово-дисперсное состояние при¬ месей воды обусловливает их поведение в процессе водообработки. 2. Каждому фазово-дисперсному со¬ стоянию примесей отвечает совокупность методов воздействия, позволяющая до¬ стичь требуемых качественных показа¬ телей воды (кондиций) изменением этого состояния или без изменения его. На этой основе все многообразие за¬ грязнений (примесей) природных и про¬ мышленных вод разделено на четыре группы с общим для каждой группы на¬ бором методов водоочистки, предопре¬ деляемым формой нахождения приме¬ сей в воде (см. первый форзац). В основу технологии очистки воды от примесей каждой группы положены про¬ цессы, протекающие под воздействием сил, наиболее эффективно влияющих на данную дисперсную систему. Так, для удаления взвесей, являющихся ки¬ нетически неустойчивыми системами, ис¬ пользуют гравитационные и адгезионные силы, для удаления коллоидных и высоко¬ молекулярных веществ, агрегативно 2i
неустойчивых в водных растворах,— ад¬ гезионные и адсорбционные. Примеси, находящиеся в виде молекулярных рас¬ творов, удаляют путем ассоциации мо¬ лекул под влиянием сил межмолеку- лярного взаимодействия. И, наконец, для удаления из воды электролитов ис¬ пользуют силы химических связей, ха¬ рактерные для ионных процессов. Технология кондиционирования во¬ ды предполагает процессы, связанные с корректированием ее физических и хи¬ мических свойств, а также процессы обеззараживания (устранения болезне¬ творных бактерий и микроорганизмов). Однако, несмотря на принципиальное различие задач этих методов обработки, они могут быть общими в зависимости от фазово-дисперсного состояния минераль¬ ных, органических и биологических при¬ месей воды. К первой группе примесей воды отно¬ сятся взвешенные в воде вещества (от высокодисперсных взвесей до крупных частичек), а также бактериальные взве¬ си и другие биологические загрязнения. Удалять эти примеси можно как безреа- гентными, так и реагентными методами. Вторую группу примесей воды пред¬ ставляют разные типы гидрофильных и гидрофобных коллоидных систем, вы¬ сокомолекулярные вещества и детерген¬ ты, способные в зависимости от условий менять свою агрегативность. Их можно удалять из воды различными методами и технологическими приемами. Напри¬ мер, обработкой воды коагулянтами, флокулянтами, известью, а также хло¬ ром, озоном и другими окислителями. При этом снижается увехж&хь-^воды■ уничтожаются микроорганизмы, разру¬ шаются гидрофильные коллоиды, прояв¬ ляющие защитные свойства по отноше¬ нию к гидрофобным примесям воды, тем самым создавая благоприятные условия для последующего коагулирования, ускоряется процесс образования и осаж¬ дения хлопьев. Для третьей группы примесей, явля¬ ющихся молекулярными растворами, наи¬ более эффективные процессы, обеспечи¬ вающие их удаление из воды,— аэри¬ рование, окисление, адсорбция. Для четвертой группы примесей, пред¬ ставляющих собой электролиты, техноло¬ гия очистки воды сводится к связыванию реагентами ионов, подлежащих устра¬ нению, в малорастворимые и малодис- социированные соединения. При выборе реагентов целесообразно исходить из произведения растворимости 1 образую¬ щихся соединений. В случае малых зна¬ чений ПР полнота очистки воды возра¬ стает, особенно при избытке иона-оса- дителя. Присутствие в воде посторонних солей обусловливает увеличение ионной силы2 раствора, вследствие чего умень¬ шаются коэффициенты активности3 реаги¬ рующих ионов и растворимость осадков возрастает. Все примеси, загрязняющие водоемы, полностью охватываются четырьмя груп¬ пами предлагаемой классификации. Ис¬ пользуя особенности, характеризующие каждую группу примесей, можно нахо¬ дить эффективные методы удаления всего комплекса находящихся в воде примесей небольшим числом соответствующим об¬ разом скомпонованных элементов очист¬ ных сооружений. При проектировании водоочистных станций использование этого принципа классификации помогает определять главные элементы очистных сооружений, компоновать их, а также подбирать реагенты и процессы, которые должны в них протекать. Это наиболее сложная часть проектирования, которое следует развивать в направлении уточнения па¬ раметров сооружений и режима работы с учетом индивидуальных особенностей и состава примесей природных вод или промышленных сточных вод. При разработке технологического про¬ цесса очистки следует также учитывать характеристику водоема, в который сбра¬ сываются сточные воды, или предъяв¬ ляемые технологией производства тре¬ 1 Произведением растворимости (ПР) назы¬ вается произведение концентраций ионов в на¬ сыщенном растворе малорастворимого соедине¬ ния, характеризующее способность его раство¬ ряться. 2 Ионная сила является мерой напряженности электрического поля, создаваемого присутст¬ вующими в растворе ионами. 3 Активность — эффективная концентрация вещества, учитывающая степень связанности его молекул или ионов в растворе. Она поз¬ воляет судить об отклонении свойств данного вещества в сложном растворе от свойств в чистом его растворе при этой же молярной концентрации вещества. Активность вещества зависит от вида и концентрации других компонентов раствора, а также от температуры и давления. 22
1 бования к составу примесей воды, если используются замкнутые циклы водо¬ снабжения. 2.2. Методы обработки воды и очистные сооружения, рекомендуемые на основе классификации В технологии очистки природных вод используются многообразные техноло¬ гические приемы и методы улуч¬ шения качества воды. Выбор рацио¬ нальной схемы обработки воды пред¬ ставляет значительные трудности. Это объясняется не только недоста¬ точно продуманной технологической схе¬ мой, но и изменением состава воды водо¬ ема за время, прошедшее до осуществле¬ ния проекта, в результате сбрасывания сточных вод новых промышленных пред¬ приятий или нарушением условий экс¬ плуатации водоема в связи с развитием водного транспорта, работами по осу¬ шению болот (расположенных выше по течению), развитием торфяных разрабо¬ ток и т. п. Такие нарушения усложняют условия эксплуатации не только новых, но и давно работающих очистных соору¬ жений. Классификация Л. А. Кульского поз¬ волила систематизировать и существую¬ щие методы водообработки. Для лучшей ориентации при выборе метода, обеспечивающего требуемую сте¬ пень очистки воды, составлены таблицы, содержащие данные об используемых процессах и технологических методах об¬ работки воды, условиях их применения в зависимости от качественных показа¬ телей последней, о применяемых реаген¬ тах и их расходах, компоновке очистных сооружений, степени очистки воды и ори¬ ентировочной стоимости процессов (см. прил. II). Технологические схемы предусматри¬ вают компоновку очистных сооружений, охватывающих процессы удаления ве¬ ществ, относящихся обычно к несколь¬ ким группам данной классификации. Поэтому при составлении схемы водо¬ обработки следует выбирать методы и режимы, наиболее эффективные для уда¬ ления примесей каждой из групп. Жела¬ тельна предварительная лабораторная проверка и сравнительная технико-эконо- мическая оценка нескольких вариантов. Для удаления из воды гетерофазных примесей I группы рекомендуются следу¬ ющие процессы: механическое разделе¬ ние в гравитационном поле или под действием центробежных сил, а также фильтрование через пористые загрузки и мелкие сетки; адгезия на высокодисперс¬ ных и зернистых материалах, а также гидроксидах алюминия или железа и глинистых минералах; агрегация фло- кулянтами; флотация примесей и др.; для патогенных микроорганизмов — бак¬ терицидное воздействие. Комплекс очистных сооружений, обес¬ печивающий протекание большинства пе¬ речисленных процессов, включает все необходимые типовые элементы, а имен¬ но: смесители, камеры хлопьеобразова- ния, отстойники (осветлители), фильтры— при двухступенчатой схеме очистки, кон¬ тактные осветлители или контактные фильтры — при одноступенчатой схеме. Для устранения микрогетерофазных примесей II группы более эффективны процессы окисления органических кол¬ лоидных веществ и высокомолекуляр¬ ных соединений, адгезия и адсорбция их на гидроксидах алюминия и железа, агрегация флокулянтами катионного ти¬ па и др.; для вирусов —вирулицид- ное воздействие. Как в случае примесей I группы, комп¬ лекс очистных сооружений, необходи¬ мых для осуществления этих процессов, состоит из типовых элементов, исполь¬ зуемых в двух- или одноступенчатой схемах очистки воды. Для удаления молекулярно раство¬ ренных веществ, входящих в III группу, применяют следующие процессы: де¬ сорбцию летучих соединений; окисление органических веществ; адсорбцию на активированном угле и других сорбен¬ тах; экстракцию органическими раствори¬ телями; отгонку паром — эвапорацию и др. Методы удаления таких примесей специфичны и поэтому здесь использует¬ ся аппаратура специального назначе¬ ния. Для удаления электролитов лучше ис¬ пользовать ионные процессы: перевод в малодиссоциированные (нейтрализа¬ ция, комплексообразование) или малорас¬ творимые соединения; фиксация на твер¬ 23
дой фазе ионитов (H-Na-катионирование, ОН-анионирование); сепарация измене¬ нием фазового состояния воды с перево¬ дом ее в газообразное состояние (дистил¬ ляция) или в твердую фазу (выморажи¬ вание, гидратообразование); перерас¬ пределение ионов в жидкой фазе (экстракция, обратный осмос); подвиж¬ ность ионов в электрическом поле и др. Установки, предназначенные для осу¬ ществления этих процессов, могут до¬ полнять основные очистные сооружения. Иногда молекулярные и ионные примеси можно удалять параллельно с выделе¬ нием гетерофазных загрязнений в типич¬ ной для них аппаратуре. В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.02—84, метод обработки воды, состав и расчетные параметры очистных сооружений и расчетные дозы реагентов надлежит устанавливать в зависимости от качества воды в источнике водоснабже¬ ния, ее назначения, производитель¬ ности станции и местных условий, а также на основании данных технологи¬ ческих исследований и эксплуатации сооружений, работающих в аналогичных условиях. 2.3. Технологические схемы, применяемые при обработке воды, и принципы их компоновки Для разработки технологических схем улучшения качества воды требуются многие данные. Прежде всего устанав¬ ливается целевое назначение воды, т. е. требования потребителя к ее физическим, химическим и бактериологическим пока¬ зателям; учитывается качество воды са¬ мого источника водоснабжения в разные времена года, степень и возможность загрязнения его бытовыми и промышлен¬ ными сточными водами и др. Ответственным и сложным этапом яв¬ ляется правильная оценка источника во¬ доснабжения. Важно не только опреде¬ лить примеси воды, обусловливающие ее привкусы, запахи, цветность, мут¬ ность, жесткость и т. д., но и изучить химические и биологические процессы, протекающие в водоеме и влияющие на стабильность состава воды. Поэтому оцен-, ка водоема, как правило, складывается 24 в результате длительного наблюдения за составом примесей воды, за изменением во времени каждого отдельного компо¬ нента. Только при таком изучении можно правильно расшифровать данные ана¬ лиза воды. Кроме специфических особенностей очистки воды, определяемых требования¬ ми потребителя и устанавливаемых в каждом отдельном случае, существуют и некоторые общие положения, кото¬ рыми можно руководствоваться при вы¬ боре схем очистки воды, подборе эле¬ ментов очистных сооружений и их компо¬ новке. При подготовке питьевой воды в слу¬ чае, если забор ее производится из от¬ крытых водоемов, воду обычно осветля¬ ют, обесцвечивают и обеззараживают. Если же источники водоснабжения — подземные напорные и безнапорные во¬ ды или вода чистых озер и прудов, ее обработка ограничивается только обез¬ зараживанием. Конструктивное оформление принятой схемы определяется производитель¬ ностью и составом проектируемых сооружений, рельефом и гидрогеологией площадки, климатическими данными и возможностью создания зон санитар¬ ной охраны, а также технико-экономи¬ ческими расчетами. При проектировании очистных соору¬ жений комплекс и типы основного и вспомогательного оборудования опреде¬ ляются принятым методом обработки во¬ ды. Объемы отдельных сооружений рас¬ считывают по времени, необходимому для протекания тех или иных физико-хими¬ ческих процессов в воде, поступающей на обработку. При непрерывной работе этих сооружений расчет их обязательно предполагает нахождение времени пре¬ рывания воды в различных элементах схемы при скорости потока, соответству¬ ющей нормальному течению процесса очистки. Реагенты в воду подают таким образом, чтобы обработка ее заканчивалась в проектируемом комплексе оборудования и выходящая вода соответствовала требо¬ ваниям потребителя и чтобы в дальней¬ шем вода не измен яла., своего состава и свойств. Ляп—этого Магенты следует вводить в начале очистных сооружений и специальными устройствами обеспе-
Рис. 2.1. Высотные схе¬ мы технологических со¬ оружений водоочистных станций: а — с вертикальными от¬ стойниками и скорыми фильтрами; 6 — с освет¬ лителями и фильтрами; в — с горизонтальными отстойниками и фильтра мл; г — с контактными осветлителями, д — с пре- фильтрами и медленными фильтрами. — насосная станция первоп подъема. 2 — смесители 3 — реа- гентный цех. 4 — водо¬ воротная камера хлопье¬ образован и я. 5 — верти¬ кальный отстойник. 6 — скорые фильтры: 7— хло- раторная; Н — резервуа¬ ры чистой воды: ь — на¬ сосная станция второго подъема; >0 — осветлите¬ ли со слоем взвешенной контактной среды: / > — камера хлопьеобразова- ния; 12 — горизонталь¬ ные отстойники 13 — контактные осветлители; 14 — префильтры: 15 — медленные фильтры О Хлор т t = ■■ —j _v_ m -Г-*”' чивать быстрое и полное смешение от- дозированных реагентов со всей массой очищаемой воды. Исключение состав¬ ляют методы обработки воды, предна¬ значенные для устранения воздействия разветвленной еети трубопроводов на качество воды (повторное бактериаль¬ ное загрязнение, коррозия и т. д.), а также для ее обогащения микроэле¬ ментами (фторирование). В этом случае реагенты, не содержащие взвешенных веществ и не образующие их при взаимо¬ действии с солями, содержащимися в воде, разрешается вводить в очищенную воду. При использовании для очистки во¬ ды нескольких методов обработки раз¬ мещение соответствующего оборудова¬ 25 \
ния для дополнительных процессов не должно влиять на основную технологи¬ ческую схему сооружений. По принципу перемещения масс воды в очистных сооружениях различают са¬ мотечные и напорные системы. В первых применяются сооружения открытого ти¬ па. Поступающая на обработку вода протекает в них самотеком вследствие разницы гидростатических уровней как в различных частях сооружений, так и между отдельными сооружениями. В напорных системах используются сооружения закрытого типа, в которых вода циркулирует под давлением, созда¬ ваемым насосной станцией. Компоновка водопроводных станций с самотечными очистными сооружениями, обеспечивающими осветление, обесцве¬ чивание и обеззараживание воды, пока¬ зана на рис. 2.1. Некоторые изменения вносят в техно¬ логическую схему осветления и обезза¬ раживания воды в случае использования повышенных доз хлора для устранения стойких неприятных привкусов и запахов, уничтожения планктона и пр. Такая видоизмененная схема обработки воды предусматривает двухкратное хлорирова¬ ние воды, а иногда и дехлорирование ее. В этом случае первичное хлорирование производится в водоприемном колодце или на насосной станции первого подъе¬ ма. После осветления в конце отстойни¬ ка или за фильтрами осуществляется вто¬ ричное хлорирование. Избыток хлора удаляют адсорбцион¬ ными фильтрами, заполненными грану¬ лированным активированным углем. Ес¬ ли воду дехлорируют оксидом серы (IV) или другими химическими реагентами, угольные фильтры не нужны. Места вво¬ да обеззараживающего реагента (обычно хлора) меняют в зависимости от качест¬ ва исходной воды. При наличии в необ¬ работанной воде солей железа (II) и марганца (II) необходимо проводить двухкратное хлорирование (до отстаи¬ вания и после фильтрования). При проектировании самотечных очистных сооружений для удешевления строительства необходимо максимально использовать рельеф местности. Для это¬ го составляют высотную схему сооруже¬ ний, на которой устанавливают поло¬ жение (отметку) уровней воды в каждом сооружении в соответствии с избранной технологической схемой. Составление высотной схемы начинают с наиболее низко расположенного сооружения — резервуара чистой воды. Отметку на¬ ивысшего уровня воды в нем прини¬ мают исходя из строительных и са¬ нитарных соображений с учетом рель¬ ефа местности (обычно на 0,15—0,50 м выше отметки земли). Затем, задавая потери напора в трубопроводах, фасон¬ ных частях и соединительных каналах, находят необходимые отметки уровней воды в отдельных сооружениях. Йри этом для предварительного высотного расположения сооружений потери на¬ пора в них, соединительных коммуни¬ кациях и измерительной аппаратуре мо¬ гут быть приняты такими, м: на сетчатых барабанных фильтрах (барабанных сетках и микрофильтрах) 0,4—0,6 во входных (контактных) камерах 0,3—0,5 в устройствах ввода реагентов 0,1—0,3 в гидравлических смесителях ,, 0,5—0,6 в механических смесителях S I 0,1—0,2 в гидравлических камерах хлоЛьеоб- разования 0,4—0,5 в механических камерах хлопьеобра- зования 0,1—0,2 в отстойниках 0,7—0,8 в осветлителях со слоем взвешенной контактной среды 0,7—0,8 на скорых фильтрах 3—3,5 в контактных осветлителях и пре- фильтрах 2—2,5 на медленных фильтрах 1,5—2 от сетчатых барабанных фильтров или входных камер к смесителям 0,2 от смесителей к отстойникам, освет¬ лителям со слоем взвешенной кон¬ тактной среды и контактным осветли¬ телям 0,3—0,4 от отстойников, осветлителей со сло¬ ем взвешенной контактной среды или префильтров к фильтрам 0,5—0,6 от фильтров или контактных осветли¬ телей к резервуарам фильтрованной воды 0,5—1 в измерительной аппаратуре на входе и выходе со станции по 0,5 в индикаторах расхода на отстойни¬ ках, осветлителях со слоем взвешен¬ ной контактной среды, фильтрах и контактных осветлителях по 0,2—0,3 Найденные отметки уровня воды в каждом отдельном элементе очистных сооружений и принимают как заданные в последующих расчетах. В напорных системах, используемых для обработки небольших количеств воды, взаимное высотное расположение отдельных сооружений не играет осо¬ 26
бой роли. Потери напора в таких уста¬ новках состоят из суммы потерь напора в отдельных сооружениях и соединяю¬ щих их трубопроводах, а также из до¬ полнительной потери напора на фильтрах при полном их загрязнении. Компоновка очистных сооружений должна обеспечивать возможность даль¬ нейшего их расширения, что особенно важно для крупных городских и промыш¬ ленных водопроводов. Схема компоновки очистных сооружений водопроводных станций представлена на рис. 2.2. Одно из основных требований, предъяв¬ ляемых к водоочистным станциям,— бес¬ перебойность в работе. На рис. 2.2 штри¬ ховой линией показано расположение об¬ водной линии, позволяющей отключить весь комплекс очистных сооружений и при необходимости подавать воду через резервуар чистой воды во всасываю¬ щие линии насосной станции второго подъема. Если производительность станций пре¬ вышает 100 ООО м3/сут, обводные комму¬ никации можно не предусматривать. Очистные сооружения следует проекти¬ ровать согласно инструкции по состав¬ лению проектов и смет по промышлен¬ ному и жилищно-гражданскому стро¬ ительству. Полный объем воды, поступающей на водоочистную станцию, определяется с учетом расхода воды на собственные Глава 3 РЕАГЕНТНОЕ ХОЗЯЙСТВО 3.1. Компоновка реагентного хозяйства На очистны^ станциях современных во¬ допроводов предусматривается строи¬ тельство складов реагентов, устройств для их хранения в сухом виде или в ви¬ де концентрированных растворов и ус¬ тройств для приготовления растворов необходимой концентрации. По компоновке реагентные хозяйства разделяют на две группы: совмещенного и блочного типов. К первой группе относят реагентные хозяйства водоочистных станций про¬ изводительностью до 50 тыс. м3/сут. Рис. 2.2. Схема компоновки очистных сооружений: / — реагентное хозяйство; 2 — насосная станция пер¬ вого подъема; 3 — хлораторная; 4 — смесители; 5 — камеры хлопьеобразования; 6 — отстойники; 7 — фильтры; 8 — резервуар чистой воды; 9 — насосная станция второго подъема. нужды (промывка фильтров, очистка отстойников, камер хлопьеобразования, продувка осветлителей и др.). Расходы воды для хозяйственно-пить- евых нужд на промышленных предприя¬ тиях должны определяться в соответст¬ вии с рекомендациями СНиП 11-30-76 и 11-90-81. Здание реагентного хозяйства выполня¬ ют в виде пристройки к основным соору¬ жениям, технологические процессы про¬ исходят в вертикальном потоке воды и реагентов. Ко второй группе относят реагентные хозяйства водоочистных станций про¬ изводительностью свыше 50 тыс. м3/сут. Все процессы протекают в одном здании, причем, как правило, соблюдается гори¬ зонтальная схема движения воды и ре¬ агентов по всему технологическому цик¬ лу реагентного цеха. Реагентные хозяйства первой группы занимают сравнительно небольшие пло¬ щади, однако имеют недостатки, прояв¬ 27
Рис. 3.1. Принципиальная типовая схема компоновки реагентного хозяйства водоочистной станции блочного гипа (по Е. Н. Казарскому и Ю. А. Ташкевичу): /—V — соответственно склады коагулянта, угольного порошка, извести, полиакриламида, фтора; VI —фтора- торная; VII — испарительная хлора; VIII — хлораторная. IX — вспомогательные служебные помещения; / — подъездной железнодорожный тупик; 2 — грейферный кран; 3, 4 — соответственно растворные и расход¬ ные баки коагулянта; 5 — дозатор угольного порошка 6 — известковый насос, 7 — известегасилки, 8 — рас¬ творные баки известкового молока; 9 — бункер для загрузки извести; 10 — установка для приготовления раствора полиакриламида; II — растворные баки полиакриламида; 12, 14 — бойлеры — соответственно фто- раторной и испарительной установок; 13 — сатураторы: /5 — испарители хлора; 16 — хлораторы; 17 —. сме¬ сители; /8 — воздуходувки. ляющиеся в процессе эксплуатации: ела- бая механизация погрузоразгрузочных работ и низкий уровень автоматизации технологических процессов, наличие са¬ мотечных трубопроводов различного на¬ значения, малодоступных для ремонта и •осмотра, которые препятствуют нормаль¬ ной работе всего комплекса. Реагентные хозяйства второй группы в значительной степени лишены этих недостатков. Компоновка и состав их позволяют почти полностью механизи¬ ровать все процессы. На рис. 3.1 приве¬ дена схема компоновки реагентного хо¬ зяйства блочного типа. Основные реагенты (сульфат железа (II), сульфат алюминия, известь и акти¬ вированный уголь) доставляют в желез¬ нодорожных вагонах непосредственно внутрь здания склада. Выгружают их из вагонов разгрузочной машиной МВС-ЗМ. Из складов грейферным краном известь подают в приемный бункер известегаси- лок типа МИК, коагулянты — в затвор¬ ные, а затем в растворные баки, откуда раствор дозируют в воду; активирован¬ ный уголь подают в емкости для приго¬ товления угольной суспензии. 3.2. Прогноз расхода коагулянта Запас реагентов для водопроводных очи¬ стных станций рассчитывают исходя из их расхода в прошедшем году с учетом средних показателей за несколько лет. Однако такой способ расчета приводит к значительным расхождениям между фактической и плановой потребностью в реагентах. Это связано в большинстве случаев с сезонными и годовыми коле¬ баниями качества воды в источниках во¬ доснабжения. Резкие колебания в рас¬ ходе реагентов приводят к большому изменению затрат на их приобретение, в то время как затраты на электроэнер¬ гию, амортизацию, заработную плату, цеховые и общеэксплуатационные расхо¬ ды в расчете на единицу очищаемой воды изменяются незначительно. В отдельные периоды года коагулянт накапливается и слеживается в монолитную массу, для использования которой требуется дроб¬ ление. В другие периоды, наоборот, его расход возрастает в 1,5—2 раза по срав¬ нению с этим же периодом прошлого года и на водопроводной станции испы¬ тывается недостаток в коагулянте. 28
Эти затруднения возникают в основном потому, что на водопроводных станциях в отличие от других промышленных предприятий невозможно предвидеть ко¬ личество и качество исходной воды, а оптимальная доза реагента, необходи¬ мая для доведения ее качества до требо¬ ваний стандарта, определяется техноло¬ гическим анализом на месте забора во¬ ды из источника. Анализом большого числа эксплуата¬ ционных данных Г. Г. Руденко и И. Т. Гороновский установили, что за¬ труднения в планировании расхода ре¬ агентов можно устранить. Для этого на каждой водопроводной станции следует установить влияние наиболее важных технологических показателей качества обрабатываемой воды на дозу применя¬ емых реагентов. Качественные показате¬ ли исходной воды, используемые как переменные, в свою очередь должны быть увязаны с природными условиями конкретного водоисточника. Поскольку кинетика процесса освет¬ ления и обесцвечивания воды коагули¬ рованием и хлорированием и дозы при¬ меняемых реагентов в большой мере за¬ висят от физико-химических, биологи¬ ческих, гидродинамических и техноло¬ гических факторов (цветности и мутнос¬ ти исходной воды, ее ионного состава, значения pH, температуры, наличия в ней фито- и зоопланктона, переме¬ шивания, места и последовательнос¬ ти ввода реагентов, их коагулирующей способности, состава и особенностей очи¬ стных сооружений и т. д.), выразить их взаимовлияние обычными функцио¬ нальными зависимостями не всегда воз¬ можно. Поэтому для обработки экспе¬ риментальных данных следует исполь¬ зовать методы математической статисти¬ ки с применением ЭВМ. Так, например, 12-летний опыт экс¬ плуатации Днепровской водопроводной станции г. Киева свидетельствует о том, что из перечисленных факторов на процесс коагуляции примесей воды больше всего влияют ее цветность, ще¬ лочность, температура и применяемая доза хлора. С помощью ЭВМ для дне¬ провской воды найдены коэффициенты линейного уравнения множественной ре¬ грессии, позволяющие определить оп¬ тимальную дозу коагулянта —очищен- и> ного сульфата алюминия в пересчете на А1203 — по уравнению Дк = 0,9 Ц + 13,6 Щ — 0,4/ + 0.9С1 + 4, где Ц — устраняемая цветность воды, град.; Щ —щелочность воды; t —тем¬ пература воды, °С; С1 — доза хлора, мг/л. Аналогичные линейные зависимости выведены для воды р. Москвы, имеющей повышенную мутность. В период весеннего паводка Дк= 20,62 + 0,004/И — 0,59 Щ + + 0,0007/ — 1,76 pH; в период осеннего паводка Дк = 7,62 + 0,04М — 1,09 Щ, где М —мутность воды, мг/л. Благодаря многолетним наблюдениям для днепровской воды также установле¬ на зависимость изменения цветности и экспоненциальная зависимость ее ще¬ лочности от расхода воды в реке, что позволяет по долгосрочному прогнозу Гидрометеослужбы рассчитать потреб¬ ность в коагулянте и хлоре для ее обра¬ ботки. Приведенные зависимости показывают, что кроме цветности и мутности на рас¬ ход коагулянта значительно влияет ще¬ лочность воды: доза коагулянта возрас¬ тает при обработке цветных вод с повы¬ шенной щелочностью и, наоборот, сни¬ жается при обработке мутных вод. По¬ этому целесообразно обесцвечивать под¬ кисленную, а осветлять — подщелочен¬ ную воду. 3.3. Расчетные дозы реагентов Расчетные дозы реагентов устанавлива¬ ют на основании данных, получаемых в результате пробной обработки воды в лабораторных условиях, или по данным эксплуатации действующих сооруже¬ ний, работающих в аналогичных усло¬ виях. При этом учитывают допустимое ос¬ таточное содержание реагентов, преду¬ смотренное ГОСТ 2874—82 «Вода питье¬ вая». Пробное коагулирование примесей во¬ ды производят в стеклянных цилиндрах, в которые наливают по 500 мл исследу¬ емой воды и вводят от 20 до 200 мг/л ко¬ агулянта с интервалом концентраций 29 (
Таблица 3.1. Расчетные дозы коагулянта для осветления мутных вод Мутность воды, мг/л Доза безводного коагулянта для обработки мутных вод, мг/л с высокодис¬ персной взвесью (ио<0,05 мм/с) с низкодис¬ персной взвесью До 100 35 25 101—200 40 30 201—400 45 35 401—600 50 45 601—800 60 50 801—1000 70 60 1001—1500 80 70 в 20 мг/л. В результате пробного коагу¬ лирования устанавливают оптимальную дозу коагулянта (доза коагулянта, да¬ ющая крупные, быстро оседающие хло¬ пья, без опалесценции). После филь¬ трования цветность и мутность воды должны удовлетворять требованиям ГОСТа. Суточный расход (дозу) реагента Дс определяют по формуле Дс = <2ДР/(10 000Я), где Q — количество обрабатываемой во¬ ды, м3/сут; Др — доза реагента в рас¬ чете на его активную часть (устанавли¬ вают пробной обработкой воды реаген¬ том), мг/л; Р — содержание активного реагента в товарном продукте, %. Расчет растворных баков, дозаторов, конвейеров, трубопроводов растворов (кроме трубопроводов известкового мо¬ лока) и складов реагентов производят на максимальные дозы реагентов. Приведенные в СНиП 2.04.02—84 до¬ зы реагентов, определяемые на основе данных химического анализа воды, яв¬ ляются ориентировочными и подлежат уточнению технологическими анализами (пробным коагулированием, углевани- ем, хлорированием и т. д.). Для проектируемых станций освет¬ ления и обесцвечивания воды дозы коа¬ гулянта в пересчете на безводный суль¬ фат алюминия, хлорид и сульфат желе¬ за (III) при обработке мутных вод оп¬ ределяют по табл. 3.1, при обработке цветных вод рассчитывают по формуле Дк = 4 уц, где Ц — цветность обрабатываемой во¬ ды, град, (меньшие дозы относятся к во¬ де, содержащей низкодисперсную взвесь; если в воде одновременно содержатся окрашенные и взвешенные вещества, принимается большая из доз, вычислен¬ ная по мутности или цветности). Если применяются контактные освет¬ лители или фильтры, работающие по принципу коагуляции в толще фильтру¬ ющей загрузки, дозу коагулянта Дн следует уменьшать на 10—15 % по срав¬ нению с приведенной в табл. 3.1 и рас¬ считанной по формуле. При расчете доз реагентов, необходи¬ мых для подщелачивания воды при ее коагуляции, исходят из необходимого повышения щелочности воды. Дозы под¬ щелачивающих реагентов Дт вычис¬ ляют по формуле Лщ = (~—Що+ l)*. где е —эквивалентная масса безводного коагулянта, мг-экв/л, равная для А1а (S04)3 - 57; FeCl3 - 54, Fe2 (S04)3 — 67; Дщ — доза подщелачивающих реа¬ гентов (извести в пересчете на СаО, соды в пересчете на Na2C03, едкого натра в пересчете на NaOH), мг/л; Щ0 — ще¬ лочность природной воды, мг-экв/л; 1 — избыточная щелочность воды, необхо¬ димая для нормального протекания про¬ цесса коагуляции; К — коэффициент (для извести равен 28, для гидроксида натрия —40, для соды —53). Если значение Дщ получается отрица¬ тельным, то подщелачивать воду не нужно. Для интенсификации процесса коа¬ гуляции рекомендуется применять в ка¬ честве флокулянтов (в дополнение к коагулянтам) полиакриламид (ПАА) и ак¬ тивную кремниевую кислоту (АК). До¬ зы их зависят от места ввода, типа и ре¬ жима работы сооружений, физико¬ химических свойств обрабатываемой воды. Для ориентировочных расчетов дозу ПАА при введении его перед отстойника¬ ми и осветлителями для укрупнения хлопьев скоагулированных взвешенных веществ принимают 0,2—1,5 мг/л по безводному продукту; при введении ПАА перед фильтрами в двухступенчатой схе¬ ме очистки воды для укрупнения хло¬ 30
пьев взвеси—0,05—0,1 мг/л; при вве¬ дении перед контактными осветлителя¬ ми или фильтрами в одноступенчатой схе¬ ме очистки—0,2—0,'6 мг/л. Дозу АК (в пересчете на Si02) при введении в во¬ ду с цветностью до 100 град и с содер¬ жанием взвешенных веществ до 50 мг/л перед отстойниками или осветлителями при температуре выше 5—7 °С прини¬ мают 2—3 мг/л; при температуре ниже 5—7 °С — 3—5 мг/л; при введении в во¬ ду перед фильтрами в двухступенчатой схеме очистки —0,2—0,5 мг/л; при вве¬ дении перед контактными осветлителя¬ ми или фильтрами в одноступенчатой схеме очистки — 1—3 мг/л. Дозы хлорсодержащих реагентов (по активному хлору) для предварительного хлорирования, а также для улучшения коагуляции, обесцвечивания и обеззара¬ живания принимают равными 10 мг/л. При наличии в обрабатываемой воде следов фенолов во избежание появления при ее хлорировании хлорфенольных за¬ пахов и привкусов для обеззараживания воды вместо хлора следует применять озон (1—3 мг/л для фильтрованной во¬ ды поверхностных источников и 0,75— 1 мг/л для воды подземных источников). Если фенолы в воде источника водоснаб¬ жения появляются эпизодически или озон по каким-либо причинам приме¬ нить нельзя, воду следует обеззаражи¬ вать хлором после предварительной ам- монизации. При хлорировании с аммонизацией аммиак или аммонийные соли вводят в количестве 20—25 % (в пересчете на NH3) дозы хлора, чтобы в воде, забира¬ емой из резервуаров чистой воды, че¬ рез час после введения хлора содержа¬ лось 0,8—1,2 мг/л аммиака, связанного в хлорамины. Запахи и привкусы устраняют также порошкообразным высокодисперсным ак¬ тивированным углем, дозу которого (в пересчете на уголь марки «А-щелочной») принимают в зависимости от степени за¬ грязнения воды (3 балла —до 20; 4 бал¬ ла — 30—40; 5 баллов — 50—80 мг/л), или перманганатом калия. При пер- манганатной окисляемости воды от 8 до 10 мг/л 02 дозу активированного угля принимают равной 1 —3; от 10 до 15 мг/л Ой —3—5; от 15 до 25 мг/л 02 —5— 10 мг/л. Если порошкообразным активирован¬ ным углем или перманганатом калия приходится обрабатывать сильно за¬ грязненную воду, то их берут в большем количестве. 3.4. Склады для хранения реагентов Для хранения реагентов устраивают склады. Их рассчитывают на 15—30- суточный запас реагентов исходя из периода максимального их расхода с учетом условий доставки. Если коагу¬ лянт на водоочистную станцию достав¬ ляют железнодорожным транспортом, то целесообразно, чтобы вместимость скла¬ дов равнялась кратному объему больше¬ грузного вагона при 10-суточном запасе реагента к моменту загрузки. Сроки поставки реагентов необходимо увязывать с режимом их расходования; загруженность складских помещений не должна превышать их проектной вмес¬ тимости. При наличии центральных (базисных) складов объем складов на станциях очи¬ стки и подготовки воды допускается рас¬ считывать на срок хранения реагентов не менее 7 сут. Площадь склада FCK для хранения ко¬ агулянта определяют по формуле Р РсДкТа ск~ 10 000p6',/tK ’ где Qc — полная производительность очистной станции, м3/сут; Дк —рас¬ четная доза коагулянта по максималь¬ ной потребности, г/м3; Т — продолжи¬ тельность хранения коагулянта на скла¬ де, сут; а — коэффициент учета допол¬ нительной площади проходов на складе (а = 1,15); р —содержание безводного продукта в коагулянте, %; G0—объем¬ ная масса коагулянта при загрузке скла¬ да, т/м3; hK —допустимая высота слоя коагулянта на складе, м. В зависимости от вида реагентов про¬ ектируют склады для хранения реаген¬ тов в сухом виде, в виде концентриро¬ ванных растворов или продуктов, за¬ литых водой. Сухие реагенты хранят в закрытых складах, размещаемых обычно на I этаже здания реагентного хозяйства, вблизи мест приготовления растворов 31
/Т 48000 10 Jf^ Н I' /• !) Р -Кгг^ "а г 7 J //// ’. ’.g v, :jrzr?J~j ,Тг Рис. 3.2. Схема совмещенных складов сухих реагентов: « коагулянта и извести; 6 —- насыпного реагента и реагента в таре; 1,2 — склады сухих реагентов* 3 электрифицированная кран-балка; 4 — поддон для реагента в таре; 5 — контейнер или грейфер для на- цробил^^еа/7-адозморОРОТа: 7 ~ растворные или расходные баки; 8 - воронка. 9 - известегасилка: - 10 (рис. 3.2), и лишь на станциях большой производительности, как исключение, оборудуют отдельные складские поме¬ щения для реагентов. ' Высоту слоя реагентов принимают: сульфата алюминия и поваренной со¬ ли — 2 м, негашеной извести —1,5 м. При наличии соответствующей механи¬ зации допускается увеличение высоты слоя сульфата алюминия до 3,5, извести — до 2,5 м. Высота укладки реагентов Рис. 3.3. Узел стены хра¬ нилища коагулянта: / — железобетонная сте¬ на; 2 — изоляция из двух слоев полиизобутилена; 3 — кислотоупорный кир¬ пич; 4 — стальной гум¬ мированный патрубок; 5 — асбестоандезитовая заделка; 6 — полиэтиле¬ новый патрубок. в таре должна составлять, железного купороса в бумажных мешках — 2,0— 3,5 м; хлорида железа (111) в барабанах, активированного угля в бумажных меш¬ ках, жидкого стекла в бочках, техни¬ ческого перманганата калия в металли¬ ческих бочках или баках, полиакрил¬ амида (геля 6—9 %) в бочках, кремне- фторида натрия в бочках — 2,5 м; каль¬ цинированной соды в бумажных меш¬ ках — 2—3,5 м, в контейнерах — 2—3 м. Хранят реагенты также в виде рас¬ твора и в виде кускового продукта в на¬ сыщенном растворе. Баки-хранилища располагают, как правило, внутри зда¬ ний, но при обосновании допускается размещение их вне зданий. В обоих случаях обеспечивается проход вокруг баков, предусматриваются мероприятия, исключающие проникновение раствора в грунт и выполняется антикоррозион¬ ная облицовка (рис. 3.3). Баков-храни¬ лищ должно быть не менее 3, при боль¬ 32
шем их количестве предусматривает¬ ся один резервный. Концентрация растворов коагулян¬ тов при мокром хранении в баках- хранилищах составляет 15—20 (в пере¬ счете на чистый безводный продукт). Из 1 т очищенного коагулянта получают около 2,2 м3 раствора такой концентра¬ ции. Следует отметить такие особенности хранения других реагентов на станци¬ ях обработки воды. 1. Известь можно помещать в одном складе с коагулянтами. 2. Хлорную известь необходимо хра¬ нить в деревянных бочках в отдельном сухом, прохладном, хорошо вентилируе¬ мом помещении. 3. При хранении реагентов для фто¬ рирования воды должны соблюдаться особые условия, ввиду их токсичности. Так, фторсодержащие реагенты хранят на складе при температуре не ниже 5 °С в заводской таре (стальных или фанер¬ ных барабанах, деревянных бочках мас¬ сой нетто 50—150 кг), распечатывать и заполнять порошкообразным реагентом переносную тару, а также затворять реагент водой следует в отдельной ком¬ нате, изолированной от помещения фтораторной. Эту комнату необходимо оборудовать приточно-вытяжной вен¬ тиляцией с 12-кратным обменом возду¬ ха в течение 1 ч с учетом резервной вен¬ тиляции с 6-кратным обменом воздуха в течение 1 ч. Хорошо вентилируемые склад и фто- раторная должны быть надежно изоли¬ рованы от других помещений; транспор¬ тирование фторсодержащих соединений механизируют. 4. Пакеты и барабаны с активирован¬ ным углем укладывают по маркам и да¬ там поступления; к помещениям для его хранения требование взрывобезопас- ности не предъявляется, по пожарной опасности его относят к категории «В». 5. Полиакриламид и жидкое стекло во избежание замораживания и усыха¬ ния хранят в крытых помещениях при плюсовой температуре, но не выше 25 °С. Технический 8 %-й раствор полиакрил¬ амида транспортируют и хранят в боч¬ ках, содержащих 100—150 кг продукта. Для устранения утечек такие бочки дол¬ жны находиться в вертикальном поло¬ жении загрузочным люком вверх. При дефектах тары или при необходимости хранения вскрытых бочек продукт сле¬ дует залить водой. Жидкое стекло хранят в герметически закупоренных деревян¬ ных или железных бочках или в цистер¬ нах. Склады для хранения кислот должны быть оборудованы на основании санитар¬ ных правил проектирования, оборудова¬ ния и содержания складов для хранения сильнодействующих и ядовитых веществ (СДЯВ) с учетом правил устройства и безопасности эксплуатации сосудов, ра¬ ботающих под давлением. Их изолируют друг от друга и остальных складских помещений. Небольшое количество кис¬ лот можно хранить в помещениях с хо¬ рошей тягой. Склады для хранения хлора и аммиака рассчитывают на хранение этих реаген¬ тов в бочках. Такие склады должны быть изолированы от других складских по¬ мещений и отвечать правилам хранения сжиженных газов. Целесообразно рас¬ полагать их в самых низких точках. Ес¬ ли суточный расход хлора превышает 1 т, расходный склад может состоять из танков заводского изготовления вмес¬ тимостью до 50 т; при этом следует пре¬ дусмотреть также станцию перелива жид¬ кого хлора из железнодорожных цис¬ терн. Оборудование складов и станций перелива хлора необходимо проекти¬ ровать с учетом требований, изложенных в правилах устройства и безопасности аппаратуры, работающей под давлени¬ ем, а также указаний по организации хлорирования жидким хлором на ком мунальных водопроводах. Длина хло- ропроводов для подачи газообразного хлора из расходного склада к месту хлорирования воды не должна превы¬ шать 1 км. Объем помещения для хранения иони- товых материалов рассчитывают на хра¬ нение двух загрузок катионитовых филь¬ тров и по одной загрузке фильтров со слабо- и сильноосновным анионитами. Соли целесообразнее хранить в мок¬ ром виде. Если суточный расход продук¬ та менее 0,5 т, допускается сухое хра¬ нение. При проектировании и строительстве складов следует принимать меры по ме¬ ханизации всех процессов. Очень 2 5-2398 33
трудоемкой операцией является выгрузка реагентов из железнодорожных вагонов. Для этого применяют механические ло¬ паты, ленточные и пневматические кон¬ вейеры. Пневматические конвейеры также мож¬ но использовать для транспортирова¬ ния сульфата алюминия в пылевидном или рыхлом (не слежавшемся) состоя¬ нии в бункере. Существуют три типа пневматичес¬ ких транспортирующих установок: вса¬ сывающие, нагнетательные и смешан¬ ные. Всасывающие установки применя¬ ют для подачи реагента из разных мест разгрузки к одному месту, а нагнетатель¬ ные — из одного места разгрузки в раз¬ ные места потребления. Смешанные пнев¬ матические установки целесообразно при¬ менять для транспортирования реаген¬ та из разных мест (железнодорожных вагонов) в бункера. 3.5. Приготовление растворов коагулянтов Одним из основных этапов очистки воды коагулированием является подготовка реагентов, которая в большинстве слу¬ чаев сводится к приготовлению раство- 3 ров коагулянтов необходимой концен- J трации. Используемые для водоочистки реагенты обычно представляют собой твердые вещества (очищенный и неочи¬ щенный сульфаты алюминия, хлорид железа (III)), которые подаются в воду либо в виде растворов заданной концен¬ трации, либо в виде тщательно измель¬ ченного и высушенного порошка. В СССР распространен преимущест¬ венно способ мокрого дозирования реа¬ гентов. Поэтому их необходимо предва¬ рительно растворять. Скорость этого процесса зависит от степени измельче¬ ния реагентов, температуры и скорости движения воды. Процесс растворения состоит в посте¬ пенном распределении одного вещества в другом и всегда сопровождается пере¬ носом вещества в места его меньшей кон¬ центрации. Этот перенос обусловлива¬ ют два явления —диффузия и конвек¬ ция. Диффузия вызывается переходом растворенного вещества из мест с боль¬ шей концентрацией к местам с меньшей концентрацией до ее полного выравни¬ вания. Процесс выравнивания концен¬ трации в результате перемещения жид¬ кости (растворителя) называется кон¬ векцией. Оба эти явления связаны друг с другом и обычно происходят одновре¬ менно. Практический интерес представ¬ ляет конвекция, поскольку скорость движения жидкости можно увеличить и тем самым ускорить процессы раство¬ рения и смешения. Конвекция, вызванная различными плотностями двух слоев жидкости, на¬ зывается естественной. В практике боль¬ ший интерес представляет искусствен¬ ная конвекция, т. е. вынужденное, под¬ дающееся управлению движение жид¬ кости, регулируемое различного вида мешалками и гравитационным напором. При растворении и смешении растворов реагентов с обрабатываемой водой ис¬ пользуются различные устройства, соз¬ дающие вихревое движение жидкости. Раствор коагулянта на водоочистных / станциях приготовляют в растворных баках, откуда его перекачивают в рас¬ ходные баки или в емкости-хранилища концентрированного раствора. При ин¬ тенсивной циркуляции воды в раствор¬ ном баке (перемешивание сжатым воз¬ духом или мешалкой) можно получить 17—24 %-й раствор. Вместимость баков для приготовления и хранения растворов реагентов опреде¬ ляют в зависимости от расчетного коли¬ чества воды, подлежащей очистке, при¬ нятой дозы, числа затворений в сутки, концентраций реагентов (в случае при¬ менения неочищенного коагулянта) и рабочего раствора. Вместимость растворного бака Wp определяют по формуле ц/ _ уТДк р lOOOOftpV ’ где q — расчетный расход воды, м3/ч; Т — продолжительность работы стан¬ ции, на которую рассчитывается коли¬ чество раствора коагулянта для одного затворения, ч; Дк — максимальная рас¬ четная доза коагулянта в пересчете на безводный продукт, мг/л; Ьр — концен¬ трация раствора к концу растворения (обычно принимается равной 17—24 % в пересчете на безводный продукт); у — плотность раствора (обычно при¬ нимается равной 1 т/м3). 34
I ЯЛ QQjJj л Число часов работы станции Т произ¬ водительностью 1000 м3/сут при круг¬ лосуточной работе принимается равным 12—14 ч, а при некруглосуточной рабо¬ те оно равно числу часов работы станции в сутки; для станций производитель¬ ностью 10 ООО м3/сут и более — 10— 12 ч; для станций производительностью более 100 000 м3/сут допускается непре¬ рывная заготовка раствора коагулянта, при этом вместимость бака следует при¬ нимать равной трехчасовому расходу раствора. Длительность полного цикла приго¬ товления раствора коагулянта (загруз¬ ка, растворение, отстаивание, перекач¬ ка, очистка поддона) при температуре воды до 10 °С следует принимать равной 10—12 ч. Количество растворных баков (не < 3) рассчитывают с учетом способа доставки и разгрузки коагулянта, его вида, а также длительности растворе¬ ния. Интенсифицируют растворение пе¬ ремешиванием раствора сжатым возду¬ хом, подводимым дырчатыми трубами или мешалками. Интенсивность подачи воздуха для растворения коагулянта в растворных баках принимается рав¬ ной 8—10 л/(с • м2). Воздух по площади баков распределяется дырчатыми тру¬ бами или шлангами из кислотоупорных материалов. Под растворными баками на расстоянии 0,5 м от дна устраивает¬ ся съемная колосниковая решетка из досок, уложенных на ребро, е прозора- ми 10—15 мм. Под решеткой распола¬ гаются дырчатые трубы для подачи сжа¬ того воздуха. В стенках труб имеются направленные вниз отверстия диамет¬ ром 3—4 мм. Скорость выхода воздуха из отверстия должна составлять 20— 30, скорость движения воздуха в тру¬ бах — 10—15 м/с. Дно растворного бака устраивается пирамидальным под углом 45° к гори¬ зонтали, в вершине пирамиды распола¬ гается патрубок диаметром не менее 150 мм для выпуска осадка, а вокруг выпускного патрубка — кольцо из дыр¬ чатых труб для барботажа воздухом осад¬ ка, скапливающегося под колосниковой решеткой и содержащего значительное количество нерастворившегося коагу¬ лята. При использовании порошкообразных или мелкокристаллических коагулян- аМ тов на колосниковой решетке предусмат¬ ривают сетку с отверстиями диаметром 2 мм. Баки для приготовления и мокрого хранения коагулянтов представляют со¬ бой прямоугольные (в плане) сооруже¬ ния, выполненные из железобетона. Дли¬ тельное воздействие на них растворов коагулянтов (pH = 2...4), механичес¬ кие удары кусков коагулянта в процес¬ се загрузки, вихревое движение жидкости при перемешивании мешалками или сжа¬ тым воздухом приводят к разрушению стенок. Для надежной защиты от разру¬ шения баки облицовывают прочными к ударным нагрузкам и устойчивыми к коррозии материалами. Наиболее эффективными облицовоч¬ ными материалами являются кислото¬ упорные керамические или диабазовые плитки. Крепят их к стенкам специаль¬ ным раствором, в состав которого вхо¬ дят диабазовая мука, жидкое стекло и кремнефторид натрия (в соотношении 2 г 1 : 0,1). Этот раствор должен иметь конеистенцию штукатурного раетвора. Поскольку он быстро схватывается, при¬ готовляют его всегда для 4—5 плиток, стенки баков перед облицовкой плиткой оштукатуривают этим же раствором. Надежно защищает стенки баков и полиизобутилен. Для этого вначале же¬ лезобетонную стенку грунтуют клеем 88-Н, а после высыхания этим же клеем наклеивают листы полиизобутилена тол¬ щиной 1,5 мм, прогревают горячим воз¬ духом и прокатывают роликом швы. Сверху наклеивают внахлестку второй слой полиизобутилена, наносят на него грунтовку, а затем силикатную шпак¬ левку. Поверхность наложенного слоя футеруют кислотоупорными плиткой или кирпичом. Разрез и аксонометрия растворного бака приведены на рис. 3.4. Для растворения и перемешивания ко¬ агулянта на водоочистных станциях не¬ большой производительности допускает¬ ся применение механических перемеши¬ вающих устройств. При использовании кускового коагулянта растворные баки снабжаются съемными колосниковыми решетками. На рис. 3.5 приведена схема устрой¬ ства растворного бака с пропеллерной мешалкой. В результате вращения 2* 35
Рис. 3.4. Схема бака для растворения коагулянта: а — поперечный разрез; 6 — аксонометрия; / — труба для подачи сжато* го воздуха; 2 — колосни¬ ковая решетка; 3, 4 — верхняя и нижняя рас¬ пределительные системы воздуха; 5 — выпуск осад¬ ка; 6 — пробоотборник; 7 — подача воды; 8 — консоль в баке; 9 — вер¬ тикальные стойки; 10 — балки для крепления ре¬ шетки; П — клинья; 12— железобетонные упоры; 13 — канава для спуска осадка. пропеллера электродвигателем вода по центральной трубе опускается вниз. Ско¬ рость ее движения составляет 2—4 м/с. Выйдя из центральной трубы, вода под¬ нимается вверх и растворяет куски реагента, загруженные на колосники. Диаметр бака должен быть в три-четы- ре раза больше диаметра центральной трубы. Мощность пропеллера составляет 0,8—1,5 кВт на 1 м3 емкости бака. Разме¬ ры трехлопастного пропеллера, частоту его вращения и мощность двигателя бе¬ рут по каталогам заводов-изготовителей. Баки с лопастными мешалками (рис. 3.6) можно использовать для рас¬ творения реагентов с диаметром кусков не более 20 мм (например, кристалли¬ ческий железный купорос, порошкооб¬ разный сульфат алюминия). Частота вращения вала мешалки принимается равной 20—30 об/мин, площадь лопасти мешалки— 0,1 —0,2 м2/м3 раствора в баке; диаметр лопасти — 0,40—0,45 диаметра бака. При заданных размерах лопастей мощность двигателя мешалки выбирают по каталогам заводов-изготовителей. Корпуса аппаратов с перемешиваю¬ щими устройствами должны изготав¬ ливаться из двухслойной стали (с внут¬ ренней стороны корпуса сталь ЗХ18Н10Т). Рис. 3.5. Схема бака с пропеллерной мешалкой для приготовления раствора коагулянта: / __ труба для подачи воды; 2 — привод от электро¬ двигателя; 3 — мешалка; 4 — колосниковая решетка; 5 — отвод раствора; 6 — выпуск осадка. Рис. 3.6. Схема бака с лопастной мешалкой для раст-» ворения зернистых реагентов. зе
В некоторых установках коагулянт растворяется в специальном дырчатом горизонтальном деревянном барабане, вращающемся двигателем, в открытом баке, наполненном водой (растворный бак системы Никулина, рис. 3.7). Из бака раствор коагулянта подается к до¬ заторам. Вместимость расходных баков W оп¬ ределяют по формуле W = ^р6р где Ь — концентрация раствора коагу¬ лянта в расходных баках (принимается равной 12 % в пересчете на безводный продукт). На станции должно быть не менее двух расходных баков. Интенсивность подачи воздуха для перемешивания коагулянта принимается равной 3—5 л/(с • м2). Днища расходных баков должны иметь уклон к сбросному трубопроводу не ме¬ нее 0,01, диаметр трубопровода —не менее 100 мм. Трубопровод для отво¬ да готового раствора располагают вы¬ ше дна бака на 100—200 мм. J ^ rtXb г '-rf \ ? * При использовании неочищенного ко¬ агулянта раствор из верхнего слоя ре¬ комендуется забирать шлангом, при¬ крепленным к поплавку. 3.6. Приготовление растворов флокулянтов Приготовление активной кремниевой кислоты (АК). АК приготовляется непосредственно на месте ее применения из силиката натрия активацией, т. е. полной или частичной нейтрализацией его щелочности. Рис. 3.8. Схема установки для пе¬ риодического приготовления А К: / — хлораторы; 2 — микровентили; 3 — циркуляционные насосы; 4 —. баки для активирования; 5 —датчи¬ ки контрольно-измерительных при¬ боров; 6 — насосы-дозаторы; 7 мерник для жидкого стекла; Н — пожарный кран; 9 — цистерны для хранения жидкого стекла. Рис. 3.7. Растворный барабан системы Никулина: / деревянный бак; 2 — вращающийся барабан; J — металлические обручи; 4 вал. 37
Рис. 3.9. Схема установки для непрерывного приготов¬ ления А К: 1,2 — растворные баки соответственно сульфата алю¬ миния и жидкого стекла; 3, 4 — дозировочные баки соответственно жидкого стекла и сульфата алюминия; 5 _ трубопровод для поступления нейтрализованного раствора жидкого стекла в зрельник 7; 6 — трубопровод для поступления раствора коагулянта в смеситель; 8 — эжектор; 9 — трубопровод для подачи активи¬ рованного силиката натрия в смеситель. Для активации силиката натрия при¬ меняется аппаратура периодического и непрерывного действия. При потребнос¬ ти в золе АК 3 кг/ч (в пересчете на Si02) более экономично и целесообраз¬ но использовать установки периодичес¬ кого действия. На рис. 3.8 приведена схема установки периодического дей¬ ствия для получения АК хлорированием раствора жидкого стекла, разработан¬ ной в ИКХХВ АН УССР. Установка состоит из железобетонного реагентно¬ го бака, хлоратора Л К-10, циркуля¬ ционного насоса и дозаторов рабочего раствора АК. Все узлы соединены меж¬ ду собой винипластовыми трубопрово¬ дами и прорезиненными шлангами, на которых установлены винипластовые вентили. 0 25 50 75 100 125 150 Нейтрализация, % 38 АК на этой установке получают так. Готовят 1,5—2 %-й по Si02 раствор жидкого стекла, затем его обрабатыва¬ ют хлорно-воздушной смесью состава (1 : 0,5...1 : 2) в струйном аппарате (хло¬ ратор типа ЛК-10) при циркуляции рас¬ твора в системе бак — насос — струй¬ ный аппарат — бак до получения необ¬ ходимого молярного соотношения Cl2/Na20 (0,90—1,05). Хлорированный раствор выдерживают 1 ч для приоб¬ ретения им флокулирующих свойств. Вызревший золь разбавляют до 0,50— 0,75 % по Si02 и дозируют в обрабаты¬ ваемую воду. На крупных водоочистных станциях удобнее использовать аппаратуру не¬ прерывного действия. Во ВНИИ ВОД- ГЕО Г. Г. Первовым предложена уста¬ новка непрерывного действия для полу¬ чения АК с использованием в качестве активатора сульфата алюминия (рис. 3.9). Установка состоит из баков рабочих растворов силиката натрия и сульфата алюминия, зрельника с мешалкой, на¬ сосов для подачи рабочих растворов из баков в дозаторы, эжектора для раз¬ бавления АК и подачи ее в обрабатыва¬ емую воду. Для активации применяются 1,5— 1.7 % -й раствор силиката натрия и 1,4— 2.7 %-й раствор сульфата алюминия. Рабочие растворы из дозаторов в реа- гентный бак подают непрерывно. Дли¬ тельность пребывания АК в реагентном баке составляет 1—1,5 ч. Применение хлора для активации жид¬ кого стекла предпочтительнее, так как при активации последнего сульфатом алюминия даже небольшой избыток суль¬ фата приводит к резкому снижению pH Рис. 3.10. Зависимость pH золя А К от степени ее нейтрализации сульфатом алюминия (/), хлором (2). Рис. 3.11. Зависимость длительности вызревания золя А К от pH среды при обработке жидкого стекла хлором.
и быстрому застудневанию золя АК (рис. 3.10, кривая 1). Избыток же даже 50 % хлора вызывает небольшое изме¬ нение pH золя АК (см. рис. 3.10, кри¬ вая 2) и скорость застудневания при этом возрастает не так резко. Длитель¬ ность вызревания золя А К зависит от pH среды (рис. 3.11). В ИКХХВ АН УССР разработаны конструкции дозаторов А К — ДА К-10 и ДАК-15, обеспечивающие непрерывное приготовление золя АК хлорированием раствора жидкого стекла. Эта аппарату¬ ра может быть применена для получения АК и при использовании других газо¬ образных активаторов (С02, S02 и пр.). Схема дозатора активной кремниевой кислоты ДАК-15 для непрерывного по¬ лучения раствора АК и последующего дозирования полученного флокулянта в обрабатываемую воду приведена на рис. 3.12. Производительность аппарата по Si02 —20 кг/ч; точность дозирова¬ ния АК ± 2,5 %; расход жидкого стек¬ ла — 12—40 л/ч, хлора —2—8 кг/ч, воды —8—10 м3/ч, давление ее 0,3— 0,6 МПа, потребляемая мощность пере¬ менного тока напряжением 220/380 В — 0,3 кВт. По приведенной схеме жидкое стекло из хранилища или промежуточной ем¬ кости с постоянным уровнем забирается насосом-дозатором и подается в смеси¬ тель. Водопроводная вода под давле¬ нием 0,3—0,5 МПа, которое контроли¬ руется электроконтактным манометром, подается через ротаметр в этот же смеси¬ тель для разбавления. Раствор жидкого стекла (1,5—2,5 %-й в пересчете на Si02) проходит усреднитель и поступает в струйный смеситель, где обрабатыва¬ ется хлорно-воздушной смесью. Газо¬ образный хлор подают в смеситель по хлоропроводу через запорный вентиль, электромагнитный клапан и регу¬ лирующий вентиль. Количество его конт¬ ролируется ротаметром с подключенной к нему клапанной коробкой для подсо¬ са воздуха при колебаниях давления в системе. В струйном смесителе хлор переме¬ шивается и взаимодействует с жидким стеклом, в результате щелочность жид¬ кого стекла снижается вследствие ре¬ акции с гипохлоритной и соляной кисло¬ тами, образующимися при гидролизе Рис. 3.12. Технологическая схема установки непре¬ рывного приготовления и дозирования АК (дозатор ДАК-15)^ 1 электропульт; 2 —- ротаметры; 3 — электрокон- тактный манометр; 4 — клапанная коробка; 5 — сме¬ ситель; 6 — усреднитель; 7 — струйный смеситель; 8 — запорный клапан; 9 — хлорный вентиль; 10 — зрельник; // — гидроэлеватор; 12 — заборник; 13 — гребенка; /4 — насос-дозатор. хлора; одновременно в растворе обра¬ зуется монокремниевая кислота. Затем раствор поступает в зрельник (длитель¬ ность пребывания — 3—5 мин), в кото¬ ром монокремниевая кислота полиме- ризуется, образуя АК, обладающую фло- кулирующими свойствами. АК посту¬ пает в гидроэлеватор, где ее разбавля¬ ют примерно до 0,1 % и дозируют в обрабатываемую воду. ДАК-15 снабжен электропультом, в ко¬ тором смонтированы пусковая аппарату¬ ра насоса и автоматические устройства для аварийного отключения подачи га¬ зообразного хлора и жидкого стекла при падении давления воды ниже 0,20— 0,25 МПа. Вместимость бака для активации жид¬ кого стекла хлором Wa определяют по формуле w = ДсрцТ а к гДе Дер — Доза А К, г/м3; q — расход обрабатываемой воды, м3/ч; Т — про¬ должительность заготовки АК, ч; К — концентрация раствора АК после разбав¬ ления водой, г/м3. ДАК на водопроводной станции должно быть не менее двух, один из них является резервным. Приготовление растворов органичес¬ ких флокулянтов. Высокомолекулярные флокулянты (ПАА, ВА-2, ВА-3 и др.) промышленностью выпускаются в виде 39
Рис. У. 13. Схема установки для растворения сухих флокулянтов: а — механическое диспергирование и перемешивание; 6 — диспергирование водой и перемешивание возду¬ хом; / — поступление флокулянта; 2 — подача воды; 3 — бак для растворения; 4 — бак для готового раст¬ вора; 5 — подача готового раствора на очистные сооружения; 6 — механическая мешалка; 7 — диспер- гатор; 8 — подача воздуха. порошков, 7—8 %-х гелей и высоковяз¬ ких жидкостей. Для использования в тех¬ нологии очистки воды на водопроводных станциях из них готовят рабочие растворы. Сухие реагенты растворяют в механи¬ ческих мешалках, имеющих обычно не¬ сколько пропеллеров. Схема установки для растворения сухих реагентов при¬ ведена на рис. 3.13. В бак для растворения сухой флоку- лянт можно подавать вибрационным пи¬ тателем или диспергатором (см. рис. 3.13), в который поступает струя воды и реа¬ гент. Для предотвращения образования комков и сгустков флокулянта поро¬ шок подают в бак с малой скоростью и перемешивают его с водой мешалкой или воздухом в течение 1—2 ч до образова¬ ния раствора одноподной консистенции. В установках АКХ им. К- Д. Памфило¬ ва (рис. 3.14) рабочий раствор концен¬ трацией 1—1,5 % получают из геле¬ образных товарных продуктов в баке 1 с механической лопастной мешалкой, вращающейся со скоростью 800— 1 ООО об/мин. Из бака 1 раствор цирку¬ ляционным насосом 2 перекачивают в расходный бак 3, из которого он не¬ прерывно самотеком поступает в дози¬ ровочный бачок 4. Вторичное разбав¬ ление рабочего раствора до концентра¬ ции 0,1—1 % и транспортирование его к месту введения в обрабатываемую воду производят эжектором 5. Гидравлическая мешалка для раство¬ рения жидких высоковязких (не геле¬ образных) флокулянтов (рис. 3.15) пред¬ ставляет собой бак, через который в те¬ чение 20—30 мин циркулирует раствор, подаваемый насосом через сопло. При¬ готовленный раствор перекачивают в резервные емкости. На водоочистных станциях можно при¬ менять гидролизованный ПАА, получа¬ емый омылением технического ПАА ще¬ лочью. Сначала в баке с механической мешалкой получают 0,5 %-й раствор ПАА. Затем добавляют гидроксид нат¬ рия из расчета 0,0375 кг NaOH на 1 кг 8 %-го раствора ПАА и смесь переме¬ шивают до полного растворения щелочи. После этого пропускают через рубашку аппарата пар и выдерживают получен¬ ный раствор в течение 16 ч при темпера¬ туре 50—80 °С. Гидролизованный ПАА перекачивают в расходные баки, отку¬ да насосами-дозаторами подают в обра¬ батываемую воду. Раствор ПАА можно получить также в пневматической мешалке, представ¬ ляющей собой бак, в котором находят¬ ся змеевик и решетка. Растворение ПАА в баке интенсифи¬ цируют подогревом воды до 20—25 °С з 4 Рис. 3.14. Механическая ме¬ шалка для растворения ПАА (конструкция ПКБ АКХ) и схема дозирования рабочих растворов. Рис. 3.15. Гидравлическая мешалка для растворения жидких высоковязких фло¬ кулянтов: / — бак; 2 — трубопровод для подачи воды; 3 — цирку¬ ляционная линия; 4 — отвод готового раствора флокулян¬ та; 5 — насос; 6 — всасы¬ вающая труба; 7 — дренаж¬ ная линия; 8 — сопло. 40
паром, пропускаемым через змеевик, и сжатым воздухом, подаваемым от воз¬ духодувки. Длительность растворения геля ПАА составляет 25—40 мин, су¬ хого — 2 ч. Воду обрабатывают0,1—1 %-м раство¬ ром ПАА. Срок хранения запасов рабо¬ чих растворов ПАА не должен превы¬ шать 20 сут. Исходя из этого определя¬ ют количество мешалок и объем расход¬ ных баков. 3.7. Приготовление известкового молока и известкового раствора Для подщелачивания воды при коагу¬ лировании, умягчении, обезжелезива- нии и стабилизации применяют строи¬ тельную известь (ГОСТ 9179—79) в ви¬ де известкового молока концентрацией 5—-10 % или в виде раствора концентра¬ цией до 1,4 г/л. На станциях обработки воды в зави¬ симости от вида и качества товарного продукта, расхода и места ввода извес¬ ти применяют несколько технологичес¬ ких схем известкового хозяйства. Из¬ вестковое молоко или раствор готовят по таким вариантам: 1) если известковое молоко или тесто поставляют централизованно, предус¬ матривают мокрое хранение реагента, при котором используются устройства для отбора теста или цистерна для до¬ ставки молока, баки с гидравлическим перемешиванием для 30 %-го известко¬ вого молока, а также устройства для его очистки, расходные баки и дозато¬ ры для суспензий (рис. 3.16); 2) если используется комовая из¬ весть, предусматривается как сухое, так и мокрое ее хранение; при сухом хра¬ нении оборудуют склад сухого продукта, дробилки, известегасилки, устройства для очистки известкового молока, гид¬ равлические мешалки, расходные баки и дозаторы для суспензий, при мокром — промежуточный склад сухого хранения, дробилки, известегасилки, резервуа¬ ры-хранилища, устройство для отбора и транспортирования теста, гидравли¬ ческие мешалки, устройства для очистки известкового молока, дозатор суспензий (рис. 3.17); 3) при небольшой производительности станции (до 3 тыс. м3/сут) известковый раствор получают по схеме: склад мок¬ рого хранения — устройство для отбо¬ ра теста — сатуратор двойного насыще¬ ния — дозатор для растворов; 4) если поставка порошкообразного продукта обеспечивается систематичес¬ ки, целесообразно применять сухое до¬ зирование извести с использованием схе¬ мы, включающей склад сухого хранения Рис. 3.16. Схема из¬ весткового хозяйства, использующего при¬ возное известковое молоко (а) или тесто (б): / — воронка для ели* ва 30 %-го известко¬ вого молока; 2 — бак- хранилище 30 %-го известкового молока; 3 — кран-балка или таль с электроприво¬ дом; 4 — трубопрово¬ ды для подачи сжато¬ го воздуха; 5 — цир¬ куляционная мешал¬ ка для 5 %-го извест¬ кового молока; 6 — перелив с дозатора; 7 — дозатор для сус¬ пензий; 8 — трубоп¬ ровод для подачи от- дозированного извест¬ кового молока; 9 — воздуходувка; 10 — насосы; // — контей¬ нер для 50 %-го из¬ весткового теста; 12—. бак для приготовле¬ ния 30 %-го извест¬ кового молока; 13 ~ водопровод. 41
Рис. 3.17. Схема известкового хозяйства, использую¬ щего комовую известь при сухом (а) и мокром (б) хранении: / — бункер; 2 — контейнер; 3 — кран-балка или таль с электроприводом; 4 — известегасилка; 5 — сливной желоб; 6 — пропеллерная мешалка; 7 — бак для известкового молока; 8 — насос-дозатор; 9 — контейнер для сброса отходов; /0 — корзина; // — бак для известкового теста; 12 — насосы; 13 — тру¬ бопровод для подачи известкового молока в смеси¬ тель. реагента, дозатор (питатель) порошко¬ образных веществ и смеситель. Комовую известь в реагентном хо¬ зяйстве гасят в лопастных, барабанных, термомеханических, бегунковых или фрезерных известегасилках. В условиях водоочистных станций могут применяться изготовляемые се¬ рийно механические известегасилки типа С-322 производительностью до 1 т/ч, термомеханические известегасилки типа С-703 производительностью до 2 т/ч, а также шаровые мельницы производи¬ тельностью до 6 т/ч. Известегасилка С-703 (рис. 3.18) про¬ изводит тонкий размол реагента шарами. Для выделения из известкового молока нерастворимых примесей, являющихся балластом, из известегасилки его на¬ правляют в гидроциклон или гидрав¬ лический классификатор (вертикаль¬ ный отстойник). Выделенные крупные частички возвращают на повторное дроб¬ ление, а известковое молоко подают в бак с механическим или гидравличес¬ ким перемешиванием. На 1 т товарного продукта в известе¬ гасилки подают 7—10 м3 воды (жела¬ тельно подогретой до 60—70 °С). В установках производительностью бо¬ лее 30 т/сут известь рекомендуется га¬ сить в барабанных шаровых мельницах (рис. 3.19). Их преимуществом является отсутствие отходов (недожега и переже- га), которые в процессе гашения раз¬ малываются и не идут в отвалы. После шаровых мельниц известковое моло¬ ко также пропускают через гидроцик¬ лон или гидравлический классифика¬ тор. На водоочистных станциях средней производительности можно применять аппараты для безотходного гашения из¬ вести (рис. 3.20), которые выполняют в виде барабана 2 диаметром 1300 мм. На расстоянии 550 мм от передней стен¬ ки барабана, вращающегося на гори¬ зонтальном валу /, установлена сталь¬ ная перегородка 4 с отверстиями диа¬ метром 10 мм. Внутри барабана есть шесть выступов, которые образуют приваренные по его образующим разрезанные вдоль сталь¬ ные трубы диаметром 100 мм. Днища барабана приварены к насаженным на вал втулкам, закрепленным шпонками. С помощью шестерни 5, прикрепленной к днищу барабана, через вторую шес¬ терню 8, редуктор 6 с электродвигате¬ 42
Рис. 3.19. Шаро вая мельница СМ-434: > — загрузка из¬ вести; 2 — корпус улиткового пита¬ теля; 3 — подвод воды: 4 — опоры; 5 — барабан; 6 — электродвигатель с редуктором; 7 — разгрузочная крышка; 8 — вы¬ ход известкового молока. лем 7, барабан вращается со скоростью 23—25 об/мин. В барабане имеется два люка: верхний 3 и нижний 9, через которые загру¬ жают соответственно 60 чугунных или стальных шаров диаметром 70 мм и от 9 до 30 шаров диаметром 50 мм. После этого в верхний люк подают 800— 1000 кг комовой извести и горячую воду. Люки барабана закрывают и включают электродвигатель на 30—40 мин. Пос¬ ле остановки барабана известковое мо¬ локо выпускают через задвижку па¬ трубка на горловине нижнего люка. За сутки такой аппарат перерабатывает 12— 15 т извести. Сатураторы двойного насыщения для получения известкового раствора вы¬ полняют в виде высоких цилиндричес¬ ких баков, разделенных коническим дном на два отделения (рис. 3.21). Известковое молоко по трубе 3 подают в сатуратор сначала в нижнюю часть конуса верхнего отделения, после чего открывают клапан 7 и направляют из¬ вестковое молоко в нижнее отделение 8. Затем через конус верхнего отделения подают новую порцию известкового мо¬ лока. Количество 10—15 %-го известко¬ вого молока должно быть достаточным для работы сатуратора в течение 12— 24 ч. После заполнения сатуратора из¬ вестковым молоком через трубу 6 в него подают воду, которая, частично насыща¬ ясь известью, поступает по трубам 2 и 4 в нижнюю часть верхнего конуса. Здесь происходит полное насыщение воды из¬ вестью. Поднимаясь медленно вверх, в цилиндрической части сатуратора на¬ сыщенный раствор осветляется, перели- Рис. 3.20. Схема барабана для безотходного гашения извести.
/7-/7 Выход растйора- а -«•А - t Рис. 3.21. Схема сатуратора двойного насыщения. Вход изЬестко- Ього молока Вход боды Ill-Ill 1-1 вается в кольцевой сборный желоб 1 и отводится через патрубок 5 в смеситель. Осаждающиеся взвешенные вещества периодически выпускают из сатуратора через клапан 9, после чего открывают клапан 7 и заполняют известковым молоком нижний отсек сатуратора. В верхний отсек в это время подают но¬ вую порцию известкового молока. Последовательное прохождение воды 44
Рис. 3.22. Сатура¬ тор с выносной первой ступенью: / — подача исход¬ ной воды; 2 — об¬ водной трубопро¬ вод; 3 — подвод известкового мо¬ лока; 4 — подвод воды для промыв¬ ки; 5 — сборный желоб; 6 — отвод насыщенного из¬ весткового раство¬ ра; 7 — отвод воз¬ духа; 8 — выпуск осадка в сатураторе через частично истощен¬ ное и свежее известковое молоко в его отделениях позволяет получать стабиль¬ ный по концентрации известковый рас¬ твор. Размеры сатураторов определяют с учетом такой скорости восходящего по¬ тока жидкости в верхнем их сечении, чтобы достигалось эффективное освет¬ ление раствора. Производительность сатуратора Qc по насыщенному известковому раствору вычисляют по формуле где qK — расход извести на установке в пересчете на СаО, кг/ч; п — количество сатураторов в установке; р — содержа¬ ние СаО в насыщенном известковом рас¬ творе, кг/м3. Объем сатуратора Wa определяют по формуле Wc~ ^ik^Qct где — коэффициент, зависящий от температуры насыщаемой воды (прини¬ мается по таблице СНиП 2.04.02—84); k2 — коэффициент, зависящий от соот¬ ношения кальциевой и общей жесткости воды (k2 = 1 при кальциевой жесткости более 70 % общей жесткости воды, k2 = = 1,3 при кальциевой жесткости менее 70 % общей жесткости воды). Площадь отстойной камеры сатурато¬ ра проверяют по восходящей скорости движения жидкости. Для приготовления насыщенного рас¬ твора извести применяют также сатурато¬ ры, в которых частичное насыщение воды происходит в отдельном напорном, а полное насыщение и осветление раствора в рядом расположенном одноступенча¬ том сатураторе (рис. 3.22). По сравне¬ нию с сатураторами двойного насыщения такие сатураторы имеют меньшую высо¬ ту. При скорости восходящего потока известкового раствора в верхнем сече¬ нии сатуратора 0,2 мм/с за 3—4 ч дости¬ гается достаточное насыщение и освет¬ ление раствора. Баков для известкового молока или раствора должно быть не менее двух. Концентрация известкового молока в расходных баках не должна превышать 5 % в пересчете на СаО. 3.8. Приготовление растворов фторсодержащих реагентов С целью увеличения точности дозирова¬ ния из хорошо растворимых фторсодер¬ жащих соединений (NaF, (NH4)2 SiF6) го¬ товят ненасыщенные растворы, из реаген¬ тов с малой растворимостью (Na2SiF6) — насыщенные и ненасыщенные раство¬ ры. Реагенты с малой растворимостью готовят в сатураторах одинарного насы¬ щения, хорошо растворимые соедине¬ ния — в расходных баках с перемеши¬ ванием мешалкой или сжатым воздухом (см. гл. 15). 3.9. Приготовление пульпы активированного угля Порошкообразный активированный уголь для обработки воды обычно при¬ меняют в виде пульпы. Пульпу активи¬ рованного угля приготовляют замачи¬ ванием порошкообразного угля в тече¬ ние 1 ч в баках с гидравлическим или механическим перемешиванием. На тю¬ менском водопроводе применяют схему мокрого дозирования угля с приготов¬ лением пульпы в специально разрабо¬ танных смесительных барабанах с про¬ должительностью замачивания до 30 мин (рис. 3.23). Пульпу в воду подают до¬ затором, работающим с постоянным уров¬ нем, поддерживаемым непрерывной цир¬ куляцией пульпы. В этом случае кон¬ 45
Рис. 3.23. Схема установки для приготовления и до¬ зирования пульпы активированного угля на тюмен¬ ском водопроводе; / — смесительный барабан; 2 — загрузочные люки; 3 — насосы; 4 — бункер для пульпы; 5 — сетка; 6 — дозатор; 7 — трубопровод для подачи от дозиро¬ ванной пульпы Рис. 3.24. Зависимость плотности суспензии порошко¬ образного активированного угля от его содержания * воде. центрацию пульпы определяют по ее плотности (рис. 3.24). Насосы для перемешивания и перекач¬ ки угольной пульпы должны быть стой¬ кими по отношению к абразивному воз¬ действию угля. Концентрация пульпы составляет 5—10 %.Скорость движения пульпы в трубопроводах должна быть не менее 1,5 м/с; на коммуникациях устраивают ревизии для их прочистки. Поскольку помещения угольных ус¬ тановок относятся к категории пожаро¬ опасных, их следует вентилировать (обес¬ печить не менее чем 5-кратный обмен воздуха в 1 ч). Вентиляцию помещений, где ведутся работы с активированным углем, необходимо оборудовать филь¬ трами, предотвращающими вынос час¬ тичек угля. В этих помещениях запре¬ щается курить и работать с огнем. 3.10. Приготовление растворов соды, гексаметафосфата натрия и перманганата калия Раствор соды приготовляют в стальных или железобетонных баках, перемеши¬ вая раствор мешалками или сжатым воздухом. Концентрацию раствора со¬ ды принимают 5—8%. Подогрев воды до 50—60 °С значительно ускоряет про¬ цесс растворения соды. Раствор гексаметафосфата натрия приготовляют в баках с механическим перемешиванием. Стенки баков с внут¬ ренней стороны должны иметь антикор¬ розионное покрытие. Расчетная концен¬ трация раствора гексаметафосфата нат¬ рия принимается 2—3 % в пересчете на товарный продукт. Баков должно быть не менее двух. Продолжительность рас¬ творения гексаметафосфата натрия для получения раствора 3 %-й концентра¬ ции в холодной воде составляет 4—5 ч, в воде температурой 50 °С — около 2 ч (при непрерывном перемешивании рас¬ твора). Раствор перманганата калия приго¬ товляют в растворных баках. Рабочая концентрация реагента 0,5—2 %. Про¬ должительность его полного растворе¬ ния принимают равной 4—6 ч при тем¬ пературе воды до 20 °С и 2—3 ч — при температуре воды 40 °С. Растворных баков для перманганата калия, которые одновременно являются и расходными баками, должно быть не менее двух. 3.11. Последовательность введения реагентов Реагенты подают в воду так, чтобы очи¬ стка воды заканчивалась в проектируе¬ мом комплексе оборудования. Поэтому их обычно вводят в начале очистных со¬ оружений и быстро перемешивают со всей массой воды. Исключение состав¬ ляют реагенты, предназначенные для ус¬ транения повторного бактериального за- грязненпяТ'ТШЦЙты трубощювсЩов от коррозии и т.д.ТЗ этом случае реагенты, не содержащие взвешенных веществ и не образующие их при взаимодействии с солевым составом воды, можно вводить в очищенную воду. Коагулянты подают в воду до ее поступления на очистные сооружения или добавляют в первом же сооружении — смесителе. При этом их смешивают либо со всей массой воды, поступаю¬ щей на очистку, либо (при небольшом количестве загрязнений) с частью об¬ рабатываемой воды с последующим сме¬ t,016 1,021 Плотность,г/см3 46
шением обоих потоков (концентрирован¬ ная коагуляция); применяют также пред¬ варительно выделенный гидроксид коа¬ гулянта или основные соли. При малом количестве загрязнений в природной воде коагулянты можно вводить перио¬ дически. Флокулянты вводят через 2—3 мин после добавления коагулянта, обычно в конце смесителя или в начале камер хлопьеобразования. При низкой темпе¬ ратуре между вводом обоих реагентов должен быть больший интервал времени. При обработке воды ПАА перед филь¬ трами, а также перед контактными осве¬ тлителями время поступления ее на эти сооружения должно быть минимальным. При введении перед фильтрами АК ее доза назначается таким образом, что¬ бы обеспечить оптимальный режим ра¬ боты. Подщелачивающие реагенты (известко¬ вое молоко, меловая суспензия), содер¬ жащие значительное количество взве¬ шенных веществ, подают в воду в тех же местах, что и коагулянты, до и после их добавления в зависимости от приня¬ той на основании исследований техно¬ логии очистки воды. При недостаточной для коагуляции щелочности воды из¬ весть или соду следует вводить одновре¬ менно с коагулянтом. В высокоцветные воды добавляют подщелачивающие ре¬ агенты после осаждения из воды основ¬ ной массы гидроксидов коагулянта, т. е. в конце отстойников. Такие реагенты, как известковая вода, растворы соды и гидроксида натрия, не содержащие взвешенных веществ, могут подаваться в очищенную воду в дозах, не вызываю¬ щих ее умягчения. Хлорсодержащие реагенты при пред¬ варительном хлорировании воды можно вводить в ковш, водоприемный колодец, всасывающую или напорную линию на¬ сосной станции первого подъема или в смеситель, а при обеззараживании во¬ ды — в коллектор или резервуар чис¬ той воды, а также во всасывающий тру¬ бопровод насосной станции второго подъема. Аммонизация воды осуществляется в тех же местах, что и хлорирование. Ам¬ миак добавляют до и после введения хло¬ ра в зависимости от технологических по¬ казателей обрабатываемой воды; при наличии в ней фенолов аммиак подают раньше хлора. Дехлорирующие реагенты вводят в очищенную воду. Раствор фторсодержащих реагентов можно подавать в водопроводы насосной станции первого подъема перед очист¬ ными сооружениями, на фильтры и пос¬ ле очистных сооружений (в водоводы перед хлорированием, а также во всасы¬ вающий трубопровод насосной станции второго подъема). Как при мокром, так и при сухом до¬ зировании реагенты для фторирования воды подают в виде раствора. Место вве¬ дения раствора фторсодержащих реа¬ гентов необходимо выбирать так, чтобы реагент обязательно перемешивался с водой. При выборе места следует исхо¬ дить также из способа очистки воды и технико-экономических соображений. В артезианские воды, подаваемые потребителю без очистки, фторсодержа¬ щие реагенты дозируют непосредствен¬ но в напорные водопроводы. В системах, где вода подвергается очистке, место введения реагента выби¬ рают с таким расчетом, чтобы при после¬ дующей очистке потеря фторидов была наименьшей. Так, при дозе коагулянта 100 мг/л потеря фторидов при введении их в смесители составляет 1/3. Опыты на одной из водоочистных станций г. Вашингтона показали, что при дозе коагулянта 19 мг/л потери фторид- ионов составили?—10 %, при дозе 45— 50 мг/л — 25—30 %. Поэтому на боль¬ шинстве водоочистных станций в США фторсодержащие реагенты вводят пос¬ ле коагуляции. При малой нагрузке на фильтры их вводят перед фильтрами, при большой нагрузке — после филь¬ тров в трубопровод между фильтрами и резервуаром чистой воды или непо¬ средственно в резервуар чистой воды. В некоторых случаях мирятся с поте¬ рями фторидов, если это экономически оправдано. Так, на фтораторной уста¬ новке водоочистной станции в г. Ва¬ шингтоне реагент вводят в неочищенную воду. Потери фторид-ионов составляют при этом 0,1 мг/л. На фтораторных ус¬ тановках дозаторы располагают ближе к месту хранения реагента. Трубопро¬ воды для подачи раствора реагента де¬ лают как можно короче, поскольку чем длиннее трубопровод, тем выше 47
Таблица 3.2 Последовательность и интервалы введения реагентов в обрабатываемую воду Характеристика воды Реагент Последовательность введения реагентов Запахи и привкусы отсут¬ ствуют Запахи (в том числе и хлор- фенольный) и привкусы при хлорировании не появляют¬ ся То же, при хлорировании появляется хлорфенольный запах Хлор, коагулянт а) коагулянт, озон б) хлор, перманганат ка¬ лия, коагулянт в) хлор, активированный уголь, коагулянт г) хлор, перманганат ка¬ лия, активированный уголь, коагулянт а) аммиак, хлор, коагулянт б) коагулянт, озон в) перманганат калия, хлор, коагулянт г) аммиак, хлор, перманга¬ нат калия, коагулянт д) перманганат калия, хлор, активированный уголь, коагулянт Первичное хлорирование, через 2— 3 мин коагулянт Коагулянт, озон перед фильтрами или в профильтрованную воду Первичное хлорирование, через 10 мин перманганат калия, через 2—3 мин коагулянт а) первичное хлорирование, через 10—15 мин активированный уголь, через 10 мин коагулянт б) первичное хлорирование, через 2— 3 мин коагулянт, активированный уголь дозой до 5 мг/л перед фильтра¬ ми Первичное хлорирование, через 10 мин перманганат калия, через 10— 15 мин активированный уголь, через 10 мин коагулянт Аммиак, через 2—3 мин первичное хлорирование, через 2—3 мин коагу¬ лянт Коагулянт, озон перед фильтрами или в профильтрованную воду Перманганат калия, через 10 мин хлор, через 2—3 мин коагулянт Аммиак, через 2—3 мин хлор, через 10 мин перманганат калия, через 2—3 мин коагулянт Перманганат калия, через 10 мин хлор, через 10—15 мин активирован¬ ный уголь, через 10 мин коагулянт стоимость подачи реагента насосом и больше затраты на его очистку. На большинстве водоочистных стан¬ ций фторирование является последней стадией обработки, не считая хлориро¬ вания. При хлорировании воды фтори¬ ды не удаляются. Хлор и фториды можно добавлять одновременно, однако следует иметь в виду, что хлор и его производ¬ ные обесцвечивают реагенты, добавля¬ емые при определении фторидов в воде, что может привести к ошибке при нахо¬ ждении концентрации фтора. Для устранения привкусов и запахов воды допускается применение фильтров, загруженных гранулированным акти¬ вированным углем, или двухслойных фильтров с верхним слоем из активиро¬ ванного угля. Фильтры с активирован¬ ным углем устанавливаются после филь¬ тров для осветления воды. При обработ¬ ке воды порошкообразным активирован¬ ным углем первую дозу его можно вво¬ дить в воду на ковше или на станции первого подъема, вторую — в трубопро¬ воды подачи обесцвеченной, осветлен¬ ной воды на фильтры. В случае применения в технологичес¬ кой схеме обычных скорых фильтров возможно уменьшение длительности фильтроцикла. Однако этот недо¬ статок можно устранить применением фильтров с крупнозернистой загрузкой или двухслойных фильтров большой гря- зеемкости. Исследования показывают, что через двухслойные фильтры можно фильтровать очищенную воду с содержа¬ нием порошкообразного активированного угля (марки ОУ) до 5 мг/л. Фильтроцикл при этом не уменьшается. При очистке цветной воды, а также во¬ ды, содержащей наряду с соединениями, имеющими запах, и органические веще¬ ства без запаха, активированный уголь для дезодорации лучше вводить в воду после удаления основной массы этих соединений, в особенности, если для де¬ зодорации не требуется больших доз угля. Если же это неосуществимо,— не¬ сколько увеличить дозу угля. 48
При умягчении воды активированный уголь следует вводить перед известкова¬ нием, особенно, если повышение pH ухудшает процесс адсорбции удаляе¬ мых веществ. Рекомендуемая последовательность введения реагентов и интервалы време¬ ни между введением отдельных видов реагентов приведены в табл. 3.2. Если обеспечить необходимые интер¬ валы времени между введением отдель¬ ных реагентов в трубопроводы перед стан¬ цией очистки воды и смесителем невоз¬ можно, допускается устройство допол¬ нительных смесителей и контактных ем¬ костей, конструкция которых должна предотвращать возможность осаждения реагентов, вводимых в виде суспензии. 3.12. Дозирование реагентов Дозирование реагентов на станциях под¬ готовки хозяйственно-питьевой воды является наиболее ответственным эта¬ пом. От его совершенства в значитель¬ ной степени зависит качество очистки воды и экономичность технологического процесса. При этом следует учитывать, что значительные избытки некоторых реагентов нарушают установившееся равновесие в природной воде, денатури¬ руют ее и могут обусловить повторное загрязнение. На водоочистных станциях применяют дозаторы сухих реагентов, суспензий, растворов и газов. Дозаторы сухих реагентов подают их в открытый поток или в специальный смеситель, в котором сухой реагент бы¬ стро растворяется. Дозаторы суспен¬ зий, растворов и газов бывают двух ти¬ пов: приспособленные к дозированию ре¬ агентов в открытый поток и в напор¬ ный трубопровод (напорные дозаторы). Напорные дозаторы могут дозировать реагенты и в открытый поток. По принципу действия различают до¬ заторы: а) постоянного расхода, уста¬ навливаемые на водоочистных станциях с равномерным расходом воды; б) про¬ порционального расхода, которые авто¬ матически изменяют дозу реагента при изменении расхода обрабатываемой во¬ ды; в) рассчитанные на поддержание заданных параметров качества обрабаты¬ ваемой воды. Дозаторы постоянной до¬ зы обеспечивают подачу в воду (незави¬ симо от ее расхода на очистных соору¬ жениях) одинакового количества реа¬ гентов. Изменяют расход реагентов в та¬ ких дозаторах вручную. Дозаторы пропорциональной дозы ав¬ томатически изменяют расход реагента в соответствии с расходом воды на очист¬ ных сооружениях. Дозаторы, рассчитанные на поддер¬ жание заданных параметров обрабаты¬ ваемой воды, например электропроводи¬ мости, значения pH и т. д., регулируют расход реагентов независимо от расхода воды на очистных сооружениях. Сухие порошкообразные реагенты мо¬ гут дозироваться тарельчатыми, шне¬ ковыми, вибрационными, ленточными, объемными и весовыми дозаторами и применяемыми в химической промыш¬ ленности и промышленности строитель¬ ных материалов питателями. Схема весового дозатора представлена на рис. 3.25. Он состоит из бункера 1 со сводообрушающим устройством 2, которое вращается через редуктор дви¬ гателем 3. Из бункера реагент поступает на вибропитатель 5 с вибратором 4, от частоты вибраций которого зависит расход порошка, подаваемого вибропи¬ тателем на конвейер 6. Один из роликов конвейера опирается на коромысло ве¬ сов 10, которые находятся в равновесии под действием массы конвейера 6 и груза 9, перемещаемого по коромыслу весов электродвигателем 8. Если масса реагента на конвейере больше расчет¬ ной, свободный конец коромысла весов перемещается вниз, если меньше рас¬ четной — вверх. При этом регулируется частота вибраций вибратора 4 путем воздействия свободного конца коромыс¬ ла весов через тягу 12 на реле 11 и ре¬ гулятор 13. Если реверсивный электро¬ двигатель 8 подсоединить через систему реле к вторичному прибору расходоме¬ ра, установленного на линии подачи воды на станцию, или к уровнемеру с датчиком, расположенным в смесителе 7, этот дозатор можно превратить из дозатора постоянного расхода реаген¬ та в устройство, дозирующее реагент пропорционально расходу воды. Простейшим дозирующим устройством постоянного расхода является дозатор системы В. В. Хованского (рис. 3.26), где поплавок помещен непосредственно 49
Рис. 3.26. Схема дозатора растворов постоянного рас¬ хода: / — дозировочная диафрагма; 2 — воздушная труб¬ ка; 3 — поплавок; 4 — резиновый шланг; 5 — бак; 6 — приемная воронка. Рис. 3.25. Схема весового дозатора порошкообразных реагентов. в растворный бак. Такой поплавок под¬ держивает на определенной глубине под уровнем раствора диафрагму и трубку, соединенную с гибким выпускным шлан¬ гом. Поплавок опускается и поднимается в зависимости от уровня раствора в баке, поэтому напор над отверстием диафраг¬ мы, скорость истечения и подача раство¬ ра остаются постоянными. Для предот¬ вращения подсасывания через диафраг¬ му воздуха в конце рукава и поплавка установлена открытая вертикальная трубка, припаянная к поплавку и трубке дозатора. Изменение расхода раствора дозатором достигается соответствующей заменой калиброванной шайбы. В не¬ больших пределах расход раствора ко¬ агулянта регулируют, изменяя глубину погружения поплавка в раствор. Схема дозатора растворов пропорцио¬ нального расхода приведена на рис. 3.27. Большая часть потока воды на распре¬ делительном водосливе поступает в сме¬ ситель, меньшая — в водомерный бак А дозатора и далее через патрубок с ди¬ афрагмой 1 также сливается в смеси¬ тель. Плавающий в водомерном баке поплавок Б удерживает на тросике, перекинутом через блоки, дозирующую подвижную трубу с диафрагмой 2 на конце. Уровень раствора реагента в ба¬ ке В поддерживается постоянным ша¬ ровым краном 4. Если количество воды, поступающей на обработку, увеличивается, возрастает и ее приток в водомерный бак А, вслед¬ ствие чего уровень воды в баке повы¬ шается. Поплавок Б всплывает, дози¬ рующая трубка 3 опускается, и расход раствора реагента возрастает пропор¬ ционально увеличению расхода обраба¬ тываемой воды. Дозировать растворы и суспензии ре¬ агентов пропорционально расходу воды Рис. 3.27. Схема дозатора растворов пропорционального расхода. Рис. 3.28. Схема дозатора «плавающая трубка»: / — трубопровод обрабатываемой воды; 2 — подвод сжатого возду* ха; 3 — водомер с контактным устройством; 4 — диафрагма; 5 — барабан лебедки; 6 — промежуточное реле; 7 — магнитный пуска¬ тель; 8 — бак с дозируемым раствором или суспензией; 9 — пла¬ вающая трубка; 10 — отвод отдозированного раствора или суспен¬ зии в смеситель. 50
Таблица 3.3. Техническая характеристика насосов-дозаторов типа НД на 1 МПа Тип Производи¬ тельность, л/ч Мощность электро¬ двигате¬ ля, кВт Габариты, мм Масса, кг длина ширина высота диаметр трубопро¬ вода НД-160/10 160 0,6 710 275 580 12 80 НД-400/10 400 1,0 840 342 634 15 108 Н Д-630/10 630 1.1 875 342 653 15 115 НД-1000/10 1000 2,8 906 342 687 20 134 НД-1600/10 1600 3,0 965 350 840 32 Н Д-2500/10 2500 3,0 975 350 840 40 — на сооружениях можно также дозато¬ ром, называемым «плавающей трубкой» (рис. 3.28). Для дозирования растворов широко применяются плунжерные насосы-до¬ заторы типа НД и винтовые насосы мар¬ ки 1В6/10Х. Растворы реагентов этими насосами подают в напорные участки водопровода. Характеристики применя¬ емых в водоподготовке насосов НД при¬ ведены в табл. 3.3. Общий вид насоса-до¬ затора представлен на рис. 3.29. В насосах 1В6/10Х подача раствора механическим вариатором типа ВПД изменяется от 0,5 до 6м3/ч, полный на¬ пор составляет 0,1 МПа. Осветленные растворы коагулянта, со¬ ды, гидроксида и гексаметафосфата нат¬ рия часто дозируют напорными шайбо¬ выми дозаторами (рис. 3.30). Принцип их действия основан на перепаде дав¬ лений в диафрагме, устанавливаемой на трубопроводе обрабатываемой воды. Шайбовый дозатор выполнен в виде стального цилиндрического бака со сфе¬ рическими днищами, в которые вваре¬ ны патрубки для подачи и отвода дози¬ руемого раствора и воды. Дозатор изготовляют обычно из двух половин (а и б) и соединяют их на флан¬ цах, между которыми зажимают края мешка из тонкой резины. Мешок предна¬ значен для отделения раствора реагента от вытесняющей его воды. Дозатор 4 перед пуском воды по тру¬ бопроводу 2 заполняют (см. рис. 3.30) снизу раствором реагента из бака 1. Воздух через воздушник 3 выпускают, а резиновый мешок 8, прилегая к стен¬ кам дозатора, поднимается вверх. После заполнения дозатора раствором реа¬ гента закрывают воздушник и перекры¬ вают вентиль на трубопроводе, подаю¬ щем раствор реагента из бака. Открыва¬ ют вентили на трубопроводах дозатора. Поскольку давление в трубопроводе пе¬ ред диафрагмой 9 выше, чем за ней, не¬ которое количество воды пойдет через ротаметр 6 и трубопровод 5 в верхнюю часть дозатора и вытеснит из него по трубопроводу 10 такое же количество раствора реагента в трубопровод за диа- \ у 1 Ф и ф = г4ч Рис. 3.29. Общий вид насоса-дозатора типа НД: 1,2 — соответственно всасывающий и нагнетатель¬ ный патрубки; 3, 4 — подвод и отвод охлаждающей воды; 5 — устройство для изменения хода плунжера; 6 —» отверстия для анкерных болтов. 1 ^ канализацию В канализацию Ь канализацию Рис. 3.30. Схема установки шайбового дозатора. 51
Рис. з.31. Схема дозирования известкового молока для поддержания заданного значения pH воды: / — бак с мешалкой для известкового молока; 2 — дозатор; 3 — магнитный пускатель; 4 — исполни¬ тельный механизм; 5 — прерыватель; 6 — трансфор¬ матор; 7 — рН-метр; 8 — датчик рН-метра; 9 — сме¬ ситель; Ю — насос. фрагмой. Расход реагента можно регу¬ лировать вентилем 7 по показаниям ро¬ таметра. Когда поплавок ротаметра опустит¬ ся на нулевое деление, в работу вклю¬ чится второй дозатор. В это время пер¬ вый дозатор подготавливают к работе. Схема дозатора суспензий, рассчи¬ танного на поддерживание заданных па¬ раметров качества обрабатываемой воды, приведена на рис. 3.31. Работой дозато¬ ра управляет контактный рН-метр 7, записывающий значения pH на карто¬ грамме. Часть воды, обработанной из¬ вестковым молоком в вертикальном сме¬ сителе 9, поступает в измерительную ячейку 8, представляющую собой дат¬ чик со стеклянным и каломельным электродами. Если pH воды отклоняет¬ ся от заданного на величину, большую чем 0,1, контакты рН-метра, снабжен¬ ного разъединительным трансформато¬ ром 6, замыкаются и на промежуточное реле реверсивного магнитного пускате¬ ля 3 поступает сигнал на включение ре¬ версивного электродвигателя дозиру¬ ющего органа — конусного клапана до¬ затора. Если pH больше заданной величины, замыкаются контакты рН-мет- ра, подающие импульс на закрытие, ес¬ ли меньше — на открытие клапана до¬ затора. Поскольку за время протекания воды от дозатора до измерительной ячейки (2—4 мин) его действие запаздывает и происходит перерегулирование (непре¬ рывное срабатывание дозатора на от¬ крытие и закрытие), для обеспечения пауз между периодами работы электро¬ двигателя дозатора в его систему вве¬ дено реле времени. Суспензия известкового молока из гидравлической мешалки 1 (см. рис. 3.31) насосом 10 подается в дозатор 2 с неко¬ торым избытком. Это обеспечивает под¬ держание в дозаторе повышенной ско¬ рости восходящего потока, что препят¬ ствует осаждению частичек суспензий. Ее избыток возвращают в мешалку. К автоматизированным дозаторам от¬ носится разработанный ВНИИ ВОДГЕО дозатор ДИМБА (дозатор известкового молока бункерный автоматический). Это дозатор циркуляционного типа. Доза из¬ весткового молока в нем отмеряется де¬ лением свободно падающей плоской струи ножом делителя, который переме¬ щается электродвигателем. Такие доза¬ торы могут блокироваться с автомати¬ ческими рН-метрами или расходомерами воды, регулируя подачу реагента по за¬ данному значению pH или пропорцио¬ нально расходу обрабатываемой воды. 3.13. Техника безопасности при работе с реагентами и эксплуатация оборудования реагентного хозяйства Условия разгрузки реагентов и работы на складах для их хранения должны удовлетворять требованиям техники без¬ опасности и охраны труда. Для меха¬ низмов, используемых при разгрузке и перемещении реагентов, составляются паспорта и инструкции по обслужива¬ нию. Реагенты из вагонов выгружают в сроки, установленные МПС СССР. Каждая партия реагентов, поступаю¬ щих на склады, должна иметь паспорт поставщика с указанием содержания в товарном продукте активного реагента на основании данных анализа, производи¬ мого поставщиком. При поступлении ре¬ агентов отбирают пробу для проведения контрольного анализа в лаборатории с целью проверки сведений поставщика. Контрольный анализ должен произво¬ диться по методике, указанной в соот¬ 52
ветствующем ГОСТе. При длительном хранении негашенной и хлорной извес¬ ти, а также активированного угля со¬ держание активного продукта проверя¬ ют через каждые полгода. Концентра¬ цию растворов реагентов контролируют по их плотности или титрованием. Необходимо следить за тем, чтобы склады для реагентов были всегда су¬ хими, а находящиеся в них реагенты не увлажнялись. В первую очередь это относится к складам негашеной и хлор¬ ной извести, активированного угля, ко¬ торые в сырых помещениях теряют свои технологические качества. Двери складов после окончания приема или выдачи реагентов следует плотно за¬ крывать. При растворении в воде FeCl3 выде¬ ляются пары соляной кислоты, вызыва¬ ющие коррозию аппаратуры, а также вредно влияющие на слизистые оболоч¬ ки обслуживающего персонала. Поэто¬ му барабаны, содержащие FeCl3, поме¬ щают в закрытый бокс на колоснико¬ вую решетку, так чтобы коагулянт можно было вымыть струей воды из брандспойта, находясь вне бокса. Бок¬ сы снабжают вытяжной вентилляцией. На вымывание из бочки 100 кг FeCb брандспойтом с 13-миллиметровым на¬ конечником при расходе воды 2,5 л/с и давлении 0,2 МПа необходимо 15— 17 мин, в бак при этом стекает раствор FeCl3 концентрацией 4—5 %, который можно непосредственно, без разбавле¬ ния, дозировать в обрабатываемую во¬ ду. Ускорить процесс заготовки раство¬ ра коагулянта можно подводом горячей воды к реагентным бакам. Особенно это важно зимой, когда температура воды низкая. При проектировании и монтаже воздухораспределительной системы необходимо стремиться к мак¬ симальной ее разветвленности, обеспе¬ чивающей равномерное распределение воздуха по площади баков при барбо- тировании. Скорость выхода воздуха из отверс¬ тий воздухораспределительной системы должна быть не ниже 30 м/с. В ходе эксплуатации водоочистных станций места ввода реагентов и при¬ нятые при проектировании их ориенти¬ ровочные дозы следует постоянно уточ¬ нять технологическим анализом. Дежурные операторы по коагулиро¬ ванию во время работы должны быть обеспечены спецодеждой (резиновые перчатки, сапоги, фартук с нагрудни¬ ком), респираторами и защитными очками. При эксплуатации ДАК необходимо соблюдать все правила техники без¬ опасности и промышленной санитарии, как и при работе с хлораторами (см. п. 11.5). Известковое молоко транспортируют в открытых лотках прямоугольного или треугольного сечения, легко очищае¬ мых от осадка скребками; зимой лотки закрывают и утепляют. Лотки целесо¬ образно устраивать под железобетон¬ ным перекрытием отстойников так, чтобы известковое молоко поступало через люки в перекрытие и попадало в желоба, установленные перпендику¬ лярно к потоку воды в каждой секции отстойника выше максимального уров¬ ня воды на 4—8 см. Поскольку в отходах после гашения извести остается от 10 до 25 % СаО, осадки из растворных баков сбрасыва¬ ют в ямы-накопители для гашения ос¬ тавшегося оксида. Воду спускают в ка¬ нализацию, а отходы применяют в стро¬ ительстве. Это позволяет полностью использовать товарную известь. При загрузке известегасильных ап¬ паратов комовой известью (кипелкой) выделяется пыль, которая вредно дей¬ ствует на кожу и слизистые оболочки рабочих. Значительное количество пы¬ ли образуется также при использова¬ нии сухой гашеной извести (пушонки). ПДК щелочных аэрозолей в перерас¬ чете на NaOH составляет 0,5 мг/м3. По¬ этому при работе на известегасильных аппаратах необходимо соблюдать пра¬ вила промышленной санитарии. Обслу¬ живающий порсонал должен быть обеспечен брезентовой спецодеждой, резиновыми рукавицами и обувью. При образовании пыли необходимо пользо¬ ваться противопылевыми респиратора¬ ми и защитными очками. Ежеквартально, но не реже двух раз в год, необходимо проверять работу до¬ зирующих устройств. Проверкой пре¬ дусматривается осмотр аппаратуры, установление причин появления загряз¬ нений и очистка от них, контроль состо¬ яния соединительных узлов и др.
Раздел II УДАЛЕНИЕ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ Глава 4 КОАГУЛИРОВАНИЕ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ 4.1. Физико-химические основы процесса коагуляции Коагуляцией примесей воды называется процесс укрупнения коллоидных и взве¬ шенных частичек дисперсной системы, происходящий в результате их взаимо¬ действия и объединения в агрегаты. За¬ вершается этот процесс отделением агре¬ гатов слипшихся частичек от жидкой фазы осаждением. Диспергированные, коллоидные и взвешенные частички примесей природ¬ ных вод в большинстве случаев имеют одинаковые заряды, что обусловливает возникновение межмолекулярных сил от¬ талкивания и агрегативную устойчи¬ вость. Поскольку в технологии очистки воды предусматривается частичное или полное удаление примесей, агрегатив¬ ную устойчивость частичек стремятся нарушить, а заряд их устранить или сни¬ зить до очень малых значений. Этого достигают добавлением к воде сульфатов алюминия, железа (II) и железа (III), хлорида алюминия, хлорида железа (III), алюмината натрия, оксихлорида алюминия и других веществ, которые, являясь коагулянтами, либо нарушают агрегативную устойчивость системы, ли¬ бо образуют вследствие гидролиза кол¬ лоиды, сорбирующие примеси из воды. Коллоидные примеси, находящиеся в природной воде, позволяют рассматри¬ вать ее как гетерофазную систему, в ко¬ торой вода является дисперсионной сре¬ дой, а масса распределенных в воде коллоидных частичек — дисперсной фа¬ зой. Эти частички представляют собой очень мелкие агрегаты кристаллическо¬ го или аморфного строения. Благодаря огромной удельной поверхности коллоид¬ ных частичек они обладают весьма зна¬ чительной поверхностной энергией, а следовательно, и высокой адсорбцион¬ ной емкостью. Это обстоятельство имеет большое значение, поскольку основной процесс обработки воды — коагулиро¬ вание — связан с адсорбцией на кол¬ лоидных частичках примесей, содержа¬ щихся в воде. Возникновению коллоидных частичек предшествует образование твердой фазы (ядра), адсорбирующей из растворов потенциалобразующие ионы. Сильнее ад¬ сорбируются ионы, которые больше понижают свободную энергию поверх¬ ности твердой фазы. В результате погло¬ щения ионов поверхность ядра приобрета¬ ет заряд. Находящиеся в растворе раз¬ ноименно заряженные ионы (противо- ионы) собираются у поверхности ядра вследствие электрического притяжения между разноименными электрическими зарядами, образуя коллоидную частич¬ ку. Если бы в растворе не было теплово¬ го движения, приводящего к перемеще¬ нию ионов, противоионы образовали бы мономолекулярный слой (рис. 4.1, а), охватывающий коллоидную частичку на расстоянии ионного радиуса. Термодина¬ мический потенциал у такого двойного слоя является потенциалом между твер¬ дой фазой и жидкостью. В действитель¬ ности упорядоченное строение оболоч¬ ки нарушается в результате теплового движения ионов в растворе, а слой окружающих частичку противоионов приобретает диффузный характер (см. рис. 4.1, б). Коллоидная частичка вместе с окру¬ жающим ее диффузным слоем называ¬ ется мицеллой. На рис. 4.2 представ¬ лена схема строения мицеллы золя Fe (ОН)3, полученного вследствие гид¬ ролиза FeCl3. Золь — система, состоя¬ щая из коллоидных частичек, распреде¬ ленных в жидкой или газообразной сре¬ 54
о о а Рис. 4.1. Изменение потенциала и распределение за¬ ряда в двойном (а) и диффузном (б) слоях: 00 — поверхность ядра; АВ — граница двойного слоя; Д— толщина двойного слоя; CD — граница диф¬ фузного слоя. Рис. 4.2. Схематическое изображение мицеллы золя гидроксида железа (III) с положительно заряженной частичкой. де. Если такой средой является вода, система называется гидрозолем. Как вид¬ но из рис. 4.2, мицелла Fe (ОН)3 со¬ стоит из ядра, образованного молекула¬ ми Fe (ОН)3, адсорбционно связанных с ним потенциалобразующих водородных ионов (яН+) и некоторого количества ионов хлора [(л — х) С1 ], меньшего, чем количество ионов Н+, в результате чего коллоидная частичка имеет поло¬ жительный заряд. Ионы Н+ и входя¬ щие в состав частички противоионы С1~ образуют двойной электрический слой. Отдельные ионы хлора (хС1~) образуют диффузный слой и вместе с коллоидной частичкой составляют мицеллу золя Fe (ОН)8: Частичка {т [Fe (ОН)3] - гаН+, (п — х) С1—} хС1~~ Ядро Мицелла В зависимости от условий образования золя потенциалобразующие ионы и про¬ тивоионы могут меняться местами. Золь А1 (ОН)3, образующийся при гид¬ ролизе солей алюминия, заряжен по¬ ложительно при низких значениях pH воды и отрицательно — при высоких. Поверхность коллоидной частички золя приобретает заряд в результате несколь¬ ких возможных процессов: в щелочной среде кристаллическая решетка частич¬ ки достраивается гидроксильными ио¬ нами, находящимися в воде, приобретая отрицательный заряд; в нейтральной и кислой средах — положительный за¬ ряд, который возникает за счет адсорб¬ ции решеткой ионов А13+. Формула ми¬ целлы золя А1 (ОН)3, образовавшегося при гидролизе А1С13 в нейтральной сре¬ де, такова: {т [А1 (ОН)3| • п А13+, 3 (п — х) С1~} ЗхС1~. При гидролизе растворов Al2 (S04)3 потенциалобразующими ионами и про- тивоионами будут соответственно ионы А13+ и SO*-- Известно, что коллоидные частички находятся в постоянном движении. При этом часть окружающего частичку рас¬ твора увлекается и движется вместе с ней в виде тонкой пленки. На рис. 4.1, б линия 00 представляет поверхность коллоидной частички, непосредственно возле которой расположены положи¬ тельные ионы двойного слоя, а далее ионы диффузного слоя, ограниченные на рисунке линией CD, являющейся гра¬ ницей электронейтрального комплекса мицеллы. При движении коллоидная частичка в электрическом поле увлекает часть раствора, ограниченную на ри¬ сунке линией АВ, а часть ионов диф¬ фузного слоя, расположенных между линиями АВ и CD, отрывается от частички. При этом она становится от¬ рицательно заряженной, а окружа¬ ющий ее раствор приобретает положитель¬ ный заряд. Скачок потенциала, возника¬ ющий при этом между частью жидкости, увлекаемой коллоидной частичкой, и остальным раствором, называется элект- рокинетическим, или потенциалом. ^-Потенциал изменяется при прибав¬ лении к коллоидным системам электро¬ литов. Для отрицательно заряженных частичек ^-потенциал зависит от вели¬ чины заряда катионов электролита, а для положительно заряженных части¬ чек — от величины заряда анионов. 55
С прибавлением электролитов кон¬ центрация ионов в диффузном слое уве¬ личивается, и для компенсации зарядов на поверхности частичек требуется мень¬ ший объем диффузного слоя (т. е. проис¬ ходит как бы его сжатие). Сжатие мо¬ жет дойти до такой степени, что диффуз¬ ный слой не будет выходить за пределы линии, ограничивающей поверхность скольжения коллоидной частички при ее движении (см. рис. 4.1, б, линия АВ). Когда диффузный слой сожмется до размера, ограниченного линией АВ, 1-потенциал станет равным нулю. В этот момент коллоидные частички будут находиться в изоэлектрическом состоя¬ нии (изоэлектрическим состоянием на¬ зывается состояние золя, при котором коллоидные частички не имеют электри¬ ческого заряда). В результате устранят¬ ся причины, препятствовавшие их сбли¬ жению, коллоидные частички, соеди¬ няясь, образуют сравнительно крупные агрегаты, которые начинают осаждаться. При добавлении электролита к коагу¬ лируемому коллоиду можно заметить, что коагуляция начинается не в изо- электрической точке, а при значении по¬ тенциала ~ 0,03 В (значение ^-потенциа¬ ла для большинства коллоидов обычно составляет 0,07 В). Это значение ^-потенциала является мерой устойчивос¬ ти коллоидных систем и называется кри¬ тическим; с его уменьшением устойчи¬ вость коллоидной системы снижается. Изменение значения ^-потенциала при сжатии диффузного слоя показано на рис. 4.3 (по оси абсцисс отложены рас¬ стояния от поверхности частички, по оси ординат — значения S-потенциалов). Степень влияния ионов зависит от их концентрации, валентности и размеров: чем выше концентрация ионов и их ва¬ лентность, тем больше сжатие диффуз¬ ного слоя, а следовательно, тем сильнее эти ионы снижают устойчивость колло¬ идных частичек. Связь между валент¬ ностью прибавляемых ионов и их коа¬ гулирующей способностью может быть проиллюстрирована такими данными: коагуляция положительно заряженного золя Fe203 вызывается добавлением 11,8 ммоль/л одновалентных анионов или 0,21 ммоль/л двухвалентных; а зо¬ ля А1203 — 52,0 ммоль/л одновалентных, 0,63 двухвалентных, 0,08 трехвалентных или 0,053 четырехвалентных анионов. Такие концентрации электролитов назы¬ ваются пороговыми. Так происходит коагуляция гидро¬ фобных золей, обусловленная адсорб¬ цией ионов и созданием двойного элек¬ трического слоя на поверхности колло¬ идных частичек. Их устойчивость в рас¬ творе определяется гидратацией ионов и влиянием зарядов поверхности на ориентированную адсорбцию дипольных молекул воды. Эти гидратные слои пол¬ ностью зависят от ионных взаимодей¬ ствий и при электролитной коагуляции не препятствуют слипанию частичек. Совершенно иной характер устойчи¬ вости имеют гидрофильные золи, при¬ рода поверхности частичек которых обус¬ ловливает образование молекулярных сольватных слоев при участии вандер- ваальсовских, водородных и комплексных связей, вне зависимости от действия рас¬ творов электролитов небольших кон¬ центраций. Высокоочищенные золи H2Si03 и А1 (ОН)3 могут сохраняться в растворе даже при снижении |-по- тенциала почти до нуля. Значение гидратных слоев объяснено Б. В. Дерягиным, который установил, что для сближения коллоидных части¬ чек необходимо затратить работу на преодоление сопротивления так назы¬ ваемого «расклинивающего давления», обусловленного силами молекулярного сцепления воды с поверхностью части¬ чек. На расстоянии 1 нм и меньше силы взаимного притяжения частичек преоб¬ ладают над силами сцепления в гид- Рис. 4.3. Влияние электролитов на электрокинетиче- ский потенциал: А В — поверхность скольжения; CD — граница диф¬ фузного слоя при наиболее низкой концентрации элек¬ тролитов; CSD3 — граница диффузного слоя при наи¬ более высокой концентрации электролитов (£ —. электрокинетический, ф — термодинамический потен¬ циалы). 56
ратном слое. При больших расстояниях гидратные слои являются термодинами¬ чески устойчивым стабилизирующим фактором. Аналогично влияют поверхностно-ак¬ тивные вещества. Изменение гидрофиль¬ ное™ поверхности частичек в данном случае зависит от ориентации молекул поверхностно-активных веществ в ад¬ сорбционном слое. Увеличение гидро¬ фильное™ и возрастание устойчивости коллоидных частичек в водных системах наблюдается, если полярные группы адсорбированных соединений обращены в сторону дисперсионной среды. Работа¬ ми П. А. Ребиндера и сотрудников уста¬ новлено, что ориентация приобретает особое значение при образовании моле¬ кулами поверхностно-активных веществ в адсорбционных слоях двухмерных ге¬ леобразных структур, обладающих по¬ вышенными структурно-механическими свойствами. Это явление называется коллоидной защитой, которая заключа¬ ется в том, что при добавлении гидро¬ фильных веществ к гидрофобным кол¬ лоидам они образуют структурно-проч- ные адсорбционные слои на поверхнос¬ ти частичек и повышают устойчивость последних по отношению к электроли¬ там-коагулянтам. Добавление к золю небольших коли¬ честв высокомолекулярных соединений (ВМС), которые не обеспечивают пол¬ ного покрытия поверхности частичек золя, вызывает явление, противополож¬ ное коллоидной защите,— сенсибили¬ зацию, т. е. повышение чувствительнос¬ ти золя к действию электролитов. Сен¬ сибилизирующее действие ВМС прояв¬ ляется независимо от знака заряда по¬ верхности частичек золей. Термодина¬ мическая устойчивость таких растворов определяется тем, что связь молекул полимерного соединения с водой силь¬ нее их взаимной связи в твердой фазе и тем, что они равномерно распределе¬ ны во всем объеме растворителя. При очистке воды коагуляция колло¬ идов протекает под влиянием сложной смеси электролитов, находящихся в во¬ де, и под влиянием ионов, вносимых в воду вместе с коагулянтом. Так, в слу¬ чае применения Al2 (S04)3, в воду вно¬ сят значительные количества ионов SO4-. Если в качестве коагулянта исполь¬ зуется FeClg, в очищаемой воде повы¬ шается содержание ионов С1—. Наличие смеси электролитов усложняет коагу¬ ляцию, поскольку при этом эффекты влияния отдельных коагулирующих ио¬ нов усиливаются или ослабляются. Коагуляция коллоидов вызывается не только электролитами, но и взаимодей¬ ствием противоположно заряженных коллоидов, наступающим при адсорбции одного коллоида поверхностью другого. Этот процесс играет некоторую роль при осветлении воды коагулированием. Необходимым условием взаимной коагу¬ ляции является равенство противопо¬ ложных зарядов частичек золей. При несоблюдении этого условия коагуляция протекает либо неполно, либо вовсе не наступает, независимо от количества прибавленного коагулирующего кол¬ лоида. Отсюда следует, что взаимная коагуляция коллоидов может проте¬ кать лишь в узкой зоне соотношения их концентраций. Большинство коллоидов природных вод в отличие от золей коагулянтов за¬ ряжено отрицательно К таким колло¬ идам относятся распространенные в при¬ родных водах кремниевая кислота, мель¬ чайшие глинистые и почвенные частич¬ ки, а также гумусовые вещества. Глини¬ стые и почвенные взвеси состоят в основ¬ ном из гидроалюмосиликатов, имеющих общую формулу лА,1203 ySi02 • zH20. Вода, входящая в состав глины, по современным представлениям не явля¬ ется кристаллогид ратной. Молекула глины представляет собой молекулу алю- мосиликатной кислоты, в которой кисло¬ род воды входит в состав аниона, а во¬ дород является катионом; простейшая формула гидроалюмосиликата А120.,х x2Si02 • 2Н20 в этом случае выглядит так: H4Al2Si209. Анионы алюмосиликата образуют осно¬ ву отрицательно заряженной глинистой частички, окруженной сферой положи¬ тельных компенсирующих ионов водорода. Величина заряда глинистой частички и его знак зависят от pH воды, в которой суспензирована глина, поскольку при повышении концентрации ионов водо¬ рода уменьшается диссоциация алюмо- силикатной кислоты, а благодаря этому и количество свободных ионов, 57
обусловливающих устойчивость коллоид¬ ных частичек. Опыт подтверждает, что глинистые взвеси значительно скорее отстаиваются и коагулируют при под- кислении воды. Гумусовые вещества, также имеющие кислотный характер, в природных во¬ дах встречаются в виде стойких высоко- дисперсных отрицательно заряженных золей. Основу частичек составляют ани¬ оны гуминовых кислот; ионы водорода или металлов составляют внешнюю обо¬ лочку двойного электрического слоя. Большинство веществ, обусловливаю¬ щих мутность и цветность природных вод, являются гидрофобными или сла¬ богидрофильными коллоидами. Гидро- фобны или слабогидрофильны и колло¬ иды, образующиеся при очистке воды в результате гидролиза вводимых в воду коагулянтов. Поэтому полное представ¬ ление о поведении коллоидов в процессе очистки природных вод можно получить лишь при учете факторов устойчивости гидрофобных и гидрофильных коллоидов. На наличие гидрофильных свойств у коллоидов природных вод указывают три фактора: 1) малая чувствительность к содержанию электролитов; 2) способ¬ ность удерживать значительное коли¬ чество воды их скоагулированными осад¬ ками; 3) для некоторых из них, в осо¬ бенности для продуктов разложения бел¬ ковых веществ и гуминов, характерно проявление защитного действия по отно¬ шению к глинистым и почвенным сус¬ пензиям, коллоидной кремниевой кисло¬ те, а также к золям гидроксидов алюми¬ ния и железа (III), образующихся при внесении в воду коагулянтов. Защита гидрофобных коллоидов, с точки зрения технологии очистки воды, явление нежелательное, поскольку она вызывает образование стойких связей и замедляет осаждение коагулянта. Соотношение глины и гумуса в ком¬ плексе при защите частичек гумусовы¬ ми веществами зависит от pH среды: pH среды Состав комплекса муса на 100 ч. п 3,85 9,6 5,0 8,08 5,9 7,26 6,95 6,28 7,25 5,37 7,55 4,65 8,5 2,05 Коллоидные частички гидрофильных органических коллоидов представляют собой агрегаты молекул, свернутых в рыхлый клубок, промежутки в котором заполнены водой. Полярными группами в них (например, в гуминовых вещест¬ вах) являются фенольные и карбоксиль¬ ные. Устойчивость гидрофильных кол¬ лоидов объясняется развитой гидратной оболочкой. Например, у полярных групп ОН-, СОз-, HCOjT, образующих кол¬ лоидные гидрофильные частички, мо¬ лекулы воды, представляющие собой диполи, ориентируются и притягивают¬ ся в результате электростатического вза¬ имодействия. По мере удаления от по¬ верхности полярных молекул ориента¬ ция молекул воды ослабевает. Устойчи¬ вость гидрофильных систем снижается при химической обработке, в результате которой полярные группы НСОГ окис¬ ляются до карбонильных — гидрофоб¬ ных (количество полярных групп в мо¬ лекуле уменьшается). Для этой цели на станциях водоочистки применяют пред¬ варительное хлорирование воды перед введением коагулянта. Используемые в технологии очистки воды коагулянты чаще всего являются солями слабых оснований и сильных кислот (Al2 (S04)3, FeCl3 и др.). При растворении они гидролизуют. Взаимо¬ действуя с гидроксильными ионами, со¬ держащимися в воде, в результате элек¬ тролитической диссоциации последней эти соли образуют малорастворимые ос¬ нования. В воде накапливаются ионы водорода, и раствор приобретает кислую реакцию. Полнота гидролиза имеет большое зна¬ чение как для самой коагуляции, так и для качества очищаемой воды, посколь¬ ку наличие ионов алюминия в очищен¬ ной питьевой воде недопустимо. Гидролиз соли слабого основания и сильной кислоты протекает по уравнению МеАп + лН20 Me (ОН)„ + гаН/4, или в ионной форме Меп+ + пНгО Me (ОН),, -)- ггН+, где Меп+ — катион; А~ — анион соли. Скорость гидролиза можно описать уравнением V = kr lA^'+i |Н20|, 58
где V — скорость гидролиза; kr — кон¬ станта гидролиза; [Меп+\ — концен¬ трация катионов в растворе коагулянта; [Н20] — концентрация воды в растворе. Из уравнения следует, что скорость гидролиза пропорциональна концентра¬ ции катионов коагулянта. Поскольку применяющиеся концентрации раство¬ ров коагулянта незначительны, можно считать, что скорость гидролиза коагу¬ лянта прямо пропорциональна его кон¬ центрации (или его дозе), введенной в воду. С повышением температуры на каждые 10 градусов скорость гидроли¬ за, как и большинства химических ре¬ акций, возрастает примерно в 2—4 ра¬ за (правило Вант-Гоффа). Константу гидролиза можно вычис¬ лить по уравнению [Me (ОН1„| |Н+]П Таблица 4.1. Растворимость гидроксидов некоторых металлов (при t — 18 °С) kr. ■ k [H2Of. Г идроксид Произведе¬ ние раство¬ римости Растворимость ммоль/л г/100 мл нго А1 (ОН). 1,9-К)-33 2,9-10-9 2,26-Ю-8 Fe (ОН), 6,3- ю-16 4,9-10-61 4,40-10-5 Fe (ОН)3 3,8-10~38 г.О-Ю-10' 2,13-10-9 \Меп+] Необходимым условием для более пол¬ ного протекания гидролиза является удаление из сферы реакции образующих¬ ся Fe (ОН)3 или А1 (ОН)3, а также свя¬ зывание ионов Н+ в малодиссоциирован- ные молекулы. Гидролиз усиливается с разбавлением коагулянта. Более полному гидролизу подвержены коагулянты, образующие гидроксиды с меньшей константой диссоциации (ве¬ личиной, характеризующей способ¬ ность электролитов диссоциировать на ионы) или меньшим произведением рас¬ творимости (табл. 4.1). Приведенные в таблице данные пока¬ зывают, что гидролиз солей железа (III) должен протекать полнее, чем солей алюминия, и значительно полнее, чем солей железа (II). Как следует из уравнения, с увели¬ чением степени гидролиза pH раство¬ ра должно уменьшаться. Любое повыше¬ ние pH раствора обеспечивает полный гидролиз введенного в воду коагулянта. Для быстрого и полного гидролиза ко¬ агулянтов необходим некоторый щелоч¬ ной резерв воды, т. е. наличие в ней определенного количества ионов НСОГ, которые связывают ионы водорода, вы¬ деляющиеся при гидролизе: Н+ + нсо~ = Н20 + СО,. Благодаря наличию в воде буферной системы НСОГ — Н2С03 с pH, близ¬ ким к 7, pH воды при гидролизе коагу¬ лянтов в большинстве случаев изменя¬ ется незначительно. По уравнению гидролиза коагулянтов можно вычислить концентрацию ионов НСОГ, необходимую для нейтрализации кислоты, образующейся при гидролизе определенной дозы коагулянта. Из сум¬ марной реакции гидролиза Al2 (S04)s в присутствии ионов НСОГ Al2 (S04)3 + ЗСа (НСОзЬ + 6Н50 = = 2А1 (ОН)3 + 3CaS04 + 6Н3С03 следует, что на каждые 342 мг А1г (S04)3 расходуется 6 мг-экв НСОГ. В тех случаях, когда концентрация ионов НСОГ, содержащихся в воде, не¬ достаточна для полного гидролиза коа¬ гулянта, щелочность воды повышают введением известкового молока или рас¬ твора кальцинированной соды. В первом случае эффект подщелачивания объясня¬ ется связыванием ионов Н+ ионами ОН- извести, во втором — связыванием ио¬ нов Н+ в ионы НСОГ- Применять каль¬ цинированную соду можно только для очистки воды, используемой, для техни¬ ческих целей. Зная щелочность обрабатываемой во¬ ды и дозу введенного коагулянта, мож¬ но вычислить количество (дозу) извести или соды, необходимое для гидролиза и обеспечения резервной остаточной ще¬ лочности, равной 1 мг-экв/л (см. п. 3.3). Гидролиз солей алюминия, исполь¬ зуемых в качестве коагулянтов, проте¬ кает в несколько стадий: А13+ + Н20 <2 А1 (ОН)2+ + Н+; А1 (ОН)2+ + Н20 ^ А1 (ОН)+ + Н+; А1 (ОН)+ + Н20 А! (ОН)3 + Н+; А13+ + ЗН20 ^ А1 (ОН)3 + ЗН+. 59
Степень гидролиза повышается с раз¬ бавлением раствора, повышением его температуры и pH. Гидроксид алюминия является типич¬ ным амфотерным соединением, т. е. обладает как кислотными, так и основны¬ ми свойствами: А1 (ОН)з + ЗН+ <=► А13+ + ЗН20; А1 (ОН)3 + ОН- г± AlOf + 2Н20. Константа равновесия для первого уравнения [А13+] [А13+] «1 = : , ИЛИ = -т [А1 (ОН)3] [Н+]3 [Н+]« (А1 (ОН)3 содержится в твердой фазе и концентрация его в растворе постоян¬ на), откуда [А13+] = k' [Н+|3. Для второго уравнения константа рав¬ новесия k, = - [АЮ71 [А1 (ОН)3| |ОН [AlO^j или *2 [ОН откуда [ЛЮ- : k'2 (ОН—j = [Н+] где kw — ионное произведение воды (ве¬ личина постоянная, зависящая только от температуры). Таким образом, растворимость А1 (ОН)3 в кислой среде прямо пропор¬ циональна концентрации водородных ио¬ нов в третьей степени [Н+]3, а в щелочной — обратно пропорциональна [Н+]. Осаждение А1 (ОН)3 начинается при pH =3 и становится полным при pH =7. Дальнейшее повышение pH ведет к рас¬ творению осадка, заметному при pH =9. Рентгенографически установлено, что в гидрокарбонатно-хлоридных и гидро- карбонатно-сульфатных средах частич¬ ки формируются с образованием гид- раргиллита — А1 (ОН)3, способного су¬ ществовать в этих условиях длительное время. При коагулировании в кислых и ней¬ тральных средах, содержащих небольшое количество гидрокарбонатов, для нейтра¬ лизации ионов Н+, накапливающихся в воде при гидролизе AI2 (S04)3, можно применять смесь Al2 (S04)3 и NaA102. В этом случае накапливающиеся ионы Н+ будут нейтрализоваться ионами ОН > образующимися при гидролизе NaA102: AlOj" + 2Н20 А1 (ОН)3 + ОН-. Если в смеси выдержано необходимое соотношение между Al2 |S04)3 и NaA102, то при гидролизе значение pH воды практически не изменяется и гидролиз обоих реагентов протекает достаточно полно. Гидролиз FeCl3 протекает в три стадии: Fe3+ + H20 Fe(OH)2+ + H+; Fe (ОН)2++ Н20 ^ Fe (ОН)+ + Н+; Fe(OH)++H2Q Fe(OH)3 + H+; Fe3+ + ЗНгО Fe (ОН)3 + ЗН+. Гидролиз железного купороса в воде выражается уравнением Fe2+ +2Н20 Fe(OH)2 + 2H+. Поскольку растворимость Fe (ОН)2 ве¬ лика и он значительно диссоциирован, равновесие гидролиза сильно смещено влево. Образующийся Fe (ОН)2 под действием кислорода, растворенного в воде, окисляется в Fe (ОН)3: 4Fe (ОН)2 + О, + 2НгО = 4Fe (ОН)3. Хлопья FeCl3 наиболее интенсивно образуются при pH = 5...7, причем оп¬ тимум находится между значениями pH 6,1 и 6,5. Изоэлектрическая точка Fe (ОН)3 соответствует значению pH не¬ сколько большему, чем 6,5. Хлопьеоб- разование Fe (ОН)3, в отличие от А1 (ОН)3, протекает в значительно более широком диапазоне значений pH. Рентгенографически установлено, что при гидролизе солей железа (III) в гид¬ рокарбонатно-хлоридных и гидрокарбо- натно-сульфатных средах образуется од¬ на и та же модификация гидроксида же¬ леза (III) — гетит la-FeO (ОН)]. Характерно, что а-гидроксид желе¬ за (III) образуется и в случае гидролиза солей железа (II), например,железного купороса, окисляемого хлором или рас¬ творенным в воде кислородом при под- щелачивании известью. Для нормальной коагуляции большую роль играют размеры и структура час¬ тичек гидроксидов, причем размеры час¬ тичек, выделяющихся при гидролизе коагулянтов, зависят главным образом от степени пересыщения раствора. В про¬ 60
цессе водоочистки гидролиз солей-коа¬ гулянтов протекает в разбавленных раст¬ ворах, что создает условия слабого пе¬ ресыщения и благоприятствует образо¬ ванию крупных частичек при обеспече¬ нии необходимого периода времени на их формирование. Структура выделяю¬ щихся из раствора частичек зависит от скорости двух протекающих одновре¬ менно процессов: беспорядочного сли¬ пания частичек при столкновениях (аг¬ регации) и роста кристаллов (ориента¬ ции). При незначительном пересыщении главную роль играет скорость ориента¬ ции, которая у гидроксидов понижается с увеличением числа гидроксильных ионов, связанных с атомом металла. Поэ¬ тому частички гидроксидов двухвалент¬ ных металлов имеют кристаллическую форму, а гидроксиды трехвалентных ме¬ таллов (алюминия и железа) выделяют¬ ся главным образом в аморфном состоя¬ нии. Процесс искусственного обесцвечива¬ ния воды согласно современным представлениям протекает следующим образом. При добавлении к очищаемой воде раствора коагулянтов Al2 (S04)3 или FeCl3 в течение первых 30—180 с про¬ ходит гидролиз добавленных солей и образуются коллоидные гидроксиды алю¬ миния и железа, имеющие огромные ак¬ тивные поверхности. Коллоидные приме¬ си, содержащиеся в воде, адсорбируются на поверхности частичек гидроксидов. При адсорбции следует различать два процесса: собственно адсорбцию и фик¬ сацию (закрепление) адсорбированных коллоидов на поверхности. В первом процессе главную роль играют силы межмолекулярного взаимодействия. Ад¬ сорбция коллоидных частичек зависит от их дисперсности: она тем больше, чем выше дисперсность и чем меньше устой¬ чивость частичек. Причины фиксации могут быть раз¬ личными. Чаще всего необходимость про¬ цесса адсорбции гуминов и других кол¬ лоидных загрязнений воды на А1 (ОН)3 вызывается образованием особого рода поверхностных соединений — лаков. Большое значение в процессе фиксации адсорбированных коллоидов имеет их коагуляция вследствие разноименности зарядов адсорбированных частичек и поверхности адсорбента. Наличие заря¬ да у адсорбирующихся коллоидных час¬ тичек влияет на их адсорбируемость. Коагуляция частичек А1 ЮН)Я и Fe (ОН)3, а также связанное с этим выде¬ ление их из воды совместно с адсорбиро¬ ванными на их поверхности коллоидны¬ ми примесями происходит под действи¬ ем растворенных в воде электролитов. В связи с этим очистка цветных вод с по¬ вышенной степенью минерализации про¬ текает обычно лучше, чем мягких, бед¬ ных солями вод. Из описанного процесса обесцвечива¬ ния следует, что коагуляции подверга¬ ются не коллоидные примеси воды, а об¬ разующиеся при гидролизе коагулянтов гидроксиды. Вода очищается не в резуль¬ тате коагуляции, а вследствие адсорб¬ ции различных коллоидных и высоко¬ молекулярных примесей на поверхности гидроксидов. Процесс коагуляции гид¬ роксидов фактически приводит к уда¬ лению отработанного сорбента из очи¬ щенной воды. Характер осветления природных вод определяется свойствами взвеси: при наличии крупных частичек вода освет¬ ляется благодаря их оседанию под влия¬ нием силы гравитации, а при наличии высокодисперсных частичек осветление воды определяется их обменной катион¬ ной емкостью. Если эта емкость превы¬ шает 250 мг-экв/л, вода осветляется без добавления коагулянта в результате сжа¬ тия двойного электрического слоя за счет обмена одновалентных ионов на двух- и трехвалентные. Природные воды обычно содержат взвесь со значительно меньшей обменной емкостью. В этом случае эффективное хлопьеобразование наступает лишь при добавлении коагу¬ лянта, образующего гидроксид, к хло¬ пьям которого прилипают частички взвеси, или он сам обволакивает взве¬ шенные вещества. Большое значение име¬ ет также ортокинетическая коагуляция вследствие захватывания взвеси сеткой оседающих хлопьев гидроксида. Из сказанного следует, что процесс коагулирования зависит прежде всего от солевого состава воды, главным обра¬ зом от ее анионного состава, поскольку А1 (ОН)3 и Fe (ОН)3 заряжены положи¬ тельно и коагулирующими ионами для них являются анионы. Самыми распро¬ страненными анионами большинства при- 61
Рис. 4.4. Треугольная диаграмма. родных вод являются SO*-, С1~ и НСОГ. Концентрация этих анионов, обеспечи¬ вающая максимальную скорость коа¬ гуляции А1 (ОН)3 и Fe (ОН)3, составляет: для SO*- — 0,001—0,002 н., для С1— — 0,07 н. и для НСОГ — 0,005 н. В при¬ родных водах концентрации указанных анионов обычно ниже, следовательно, коагуляция гидроксидов протекает мед¬ леннее. Для установления влияния соотноше¬ ния этих ионов в воде на скорость коа¬ гуляции удобно пользоваться методом треугольных диаграмм. Основой постро¬ ения треугольной диаграммы служит геометрическая теорема, согласно кото¬ рой сумма длин перпендикуляров, опу¬ щенных из любой точки, лежащей внут¬ ри равностороннего треугольника, на его стороны, равна его высоте. Если из вер¬ шин равностороннего треугольника ABC (рис. 4.4), отвечающих чистым компонен¬ там тройной смеси, опустить на соответ¬ ствующие стороны три высоты (на ри¬ сунке не показано) и каждую разделить на несколько равных частей, а затем че¬ рез полученные отрезки провести ли¬ нии, параллельные сторонам треуголь¬ ника, то деления сторон дадут состав двойных смесей, а точки сетки внутри треугольника — состав тройных систем. Так, точка, приведенная на рис. 4.4, соответствует составу, %: 20 компонен¬ та Л, 40 компонента В и 40 компонен¬ та С. В качестве модели природной воды при построении треугольных диаграмм пользуются дистиллированной водой, в которую вводятся определенные коли¬ чества электролитов. На рис. 4.5 изо¬ бражены треугольные диаграммы, ил¬ люстрирующие влияние анионного со¬ става воды на коагулирование при вве¬ дении различных доз коагулянтов Al2 (S04)3 и FeCl3. Суммарная концентрация электроли¬ тов природных вод, исследуемых по диаграммам, принята равной 10 мг-экв/л. Таким образом, вершины треугольных диаграмм соответствуют содержанию в исходном растворе 10 мг-экв/л С1"-, S02~- и НСОГ-ионов. Точки на диаграм¬ ме, отвечающие одинаковой длитель¬ ности процессов хлопьеобразования и Рис. 4.5. Влияние анион¬ ного состава воды на про¬ цесс коагулирования при введении различных доз A12(S04)3 (/) и FeCl* (II)з а — 50: 6 — 100; в — 150 мг/л коагулянта; / — зона, в которой процесс коагуляции заканчивает¬ ся в течение 3 ч; 2 ** ста¬ бильная зона. 62
осаждения, соединены линиями (так называемые изолинии). Из рис. 4.5 вид¬ но, что с увеличением дозы коагулян¬ та от 50 до 150 мг/л зона, в которой про¬ цесс коагулирования заканчивается за 3 ч, расширяется. Характерно, что для FeCl3 зона оптимальной коагуляции рас¬ пространяется на большую площадь тре¬ угольника, чем для Al2 (S04)3, что сви¬ детельствует о меньшем влиянии ани¬ онного состава при коагулировании при¬ месей воды реагентом FeCl3. 4.2. Коагулянты, их получение и свойства В технологии очистки воды применяют много коагулянтов, однако наиболее распространены Al2 (S04)3 и FeCl3. Для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения в большинстве случаев используют растворы коагулянтов. В табл. 4.2 приведена растворимость ко¬ агулянтов (в пересчете на безводный продукт), а в табл. 4. — плотность растворов коагулянтов различной кон¬ центрации. Приведенную в этих таблицах массо¬ вую концентрацию См (число граммов растворенного вещества в 100 г раство¬ ра) можно перевести в объемно-массовую концентрацию Сом (число граммов рас¬ творенного вещества в 1 л раствора) по Таблица 4.2. Растворимость коагулянтов уравнению ^О.м == 10rfCM, где d — относительная плотность рас¬ твора (для воды d — 1000 кг/м3). Зависимость плотности растворов ко¬ агулянтов от температуры выражается формулой а1 = а10 + аУо — 0. где а — температурный коэффициент плотности; t0, t — соответственно из¬ меренная и расчетная температуры. Для большинства растворов темпера¬ турный коэффициент в интервале 5— 35 °С составляет примерно 0,25— 0,40 кг/(м3 • °С). Первое значение соответ¬ ствует концентрации раствора 1 мае. %, второе — 7,5 мае. % (для воды а = = 0,2 кг/(м3 • °С)). В технологии очистки воды применя¬ ются следующие алюминий содержащие коагулянты: сульфат алюминия, окси- хлорид алюминия, алюминат натрия (табл. 4.4). Сульфат алюминия Al2 (S04)3 • 18Н20 (ТУ 113-08-531 — 83) — неочищенный технический продукт, представляет со¬ бой куски серого или зеленоватого цве¬ та; получают в результате обработки бокситов, нефелинов или глин серной кислотой. Он должен содержать не ме¬ нее 9,5 % А1203, что соответствует со¬ держанию около 30 % чистого А12 (S04)3. Коагулянт Температура раствора, пС 0 1 .0 | 20 30 40 | 50 60 80 100 Растворимость, мае. % Al2 (S04)3 23,8 25,1 26,7 28,8 31,4 34,3 37,2 42,2 47,1 FeCl3 42,7 45,0 47,9 51,6 — 78,2 78,9 84,0 84,3 FeS04 13,5 17,0 21,0 24,8 28,7 32,3 35,5 30,5 Таблица 4.3. Плотность растворов коагулянтов Темпера¬ тура рас- Концентрация раствора, мас.% Коагулянт 1 2 4 6 8 10 20 30 40 50 Плотность раствора, кг/м Al2 (S04)g FeCl3 Fe2 (S04)3 FeS04 19.0 17.5 17.5 18.0 1009 1007 1007 1008 1019 1015 1016 1018 1040 1032 1033 1037 1060 1049 1050 1057 1033 1067 1067 1078 1105 1085 Ю84 'иоо 1226 1182 1181 1213 1333 (при 28 мае. %) 1291 1307 1417 1449 1551 1613 63
Таблица 4.4. Виды и состав алюминийсодержащих коагулянтов Содержание, мае. % Коагулянт Формула AljOj нерастворимых при¬ месей Сульфат алюминия неочищенный А12 (S04)3- 18Н20 >9,5 <23 очищенный Al2 (S04)318H20 >13,5 <1 Al2 (S04)3- 14Н20 17—19 — Al2 (S04)3- 14Н20 28,5 3,1 Оксихлорид алюминия А12 (0Н)5С1-6Н20 40—44 — Алюминат натрия NaA102 45—55 6—8 В нем также обычно содержится около 30 % нерастворимых примесей и до 35 % влаги. Очищенный сульфат алюминия (ГОСТ 1296 —75) получают в виде плит серовато-перламутрового цвета перерабо¬ ткой неочищенного продукта или раство¬ рением глинозема в H2S04. Этот реагент должен содержать не менее 17 % А1203, что соответствует содержанию 53 % чистого Al2 (S04)3. Как и неочищенный глинозем, его перевозят навалом в за¬ крытых железнодорожных вагонах. В нашей стране для обработки воды выпускают также 23—25 %-й раствор Al2 (S04)3. При его применении отпадает необходимость в специальных устрой¬ ствах и оборудовании для растворения коагулянта, а также упрощаются и уде¬ шевляются погрузочно-разгрузочные ра¬ боты и транспортирование. Глинозем обладает недостатками, пре¬ жде всего повышенной чувствительнос¬ тью к pH и температуре очищаемой воды. Изоэлектрическая область для А1 (ОН)3, в которой он имеет наименьшую раство¬ римость, соответствует pH = 6,5 ... 7,8. Оксихлорид алюминия А12 (ОН)5С1 X X 6Н20 представляет собой зеленоватые кристаллы; приготовляют растворением свежеосажденного А1 (ОН)3 в 0,5—1 %-м растворе НС1. При использовании этого коагулянта степень минерализации во¬ ды возрастает, а щелочность снижается в меньшей степени, чем при введении Al2 (S04)3, что особенно важно для мягких вод. Алюминат натрия NaA102 представ¬ ляет собой твердые куски белого цвета с перламутровым блеском на изломе; получают его растворением А1 (ОН)3 или А1203 в растворе NaOH. Товарный продукт содержит 55 % А1203, 35 % Na20 и до 5 % свободной щелочи NaOH. Растворимость NaA102 — 370 г/л (при 20 °С). В технологии очистки воды использу¬ ются также железосодержащие коагу¬ лянты: хлорид железа (III), сульфаты железа (II) и железа (III), хлорирован¬ ный железный купорос. Хлорид железа (III) FeCl3 6Н20 (хлорное железо по ТУ 6-01-1255—81) представляет собой темные с металли¬ ческим блеском кристаллы, легко рас¬ плывающиеся на воздухе, поэтому тран¬ спортируют его в железных герметичес¬ ких бочках. Получают безводный FeCl3 хлорированием стальной стружки при температуре 700 °С, а также как побоч¬ ный продукт в производстве хлоридов титана, алюминия и других металлов го¬ рячим хлорированием руд. Выпускают продукт двух составов с концентрацией безводного FeCl3 не менее 95—97 %. Содержание мышьяка в товарном продукте не должно превы¬ шать 0,001 %. Раствор FeCl3 можно приготовлять на месте потребления выдерживанием хлорированной стальной стружки в водной среде (рис. 4.6). Сульфат железа (II) FeS04 • 7Н20 (железный купорос по ГОСТ 6981—75) представляет собой прозрачные зеленова¬ то-голубые кристаллы, быстро бурею¬ щие на воздухе. Товарный продукт выпускается 1- и 2-го сорта, он содержит соответственно не менее 52 и 47 % FeS04, не более 1 % свободной H2S04 и не более 0,4 и 1 % нерастворимого остатка. По¬ ставляют его в деревянных бочках или барабанах массой до 120 кг, а также в ящиках массой 80 кг. По согласованию с потребителем допускается отгрузка его в крытые железнодорожные вагоны 64
или автомашины без упаковки в тару. Выпускают также и 30 %-й раствор FeS04, содержащий до 2 % свободной H2S04; транспортируют его в гуммиро¬ ванной таре. Окисление Fe (ОН)2, образующегося в результате гидролиза железного купо¬ роса, при pH воды менее 8 протекает медленно, что приводит к неполному его осаждению и неудовлетворительному ходу коагуляции. Поэтому перед при¬ менением железного купороса в воду вводят известь, активный хлор или оба реагента вместе, что усложняет и удо¬ рожает обработку. Поэтому железный купорос используют главным образом на станциях известкового и известково¬ содового умягчения воды, когда при устранении магниевой жесткости значе¬ ние pH поддерживают в пределах 10,2— 13,3 и соли алюминия не применимы. Сульфат железа (III) Fe2 (S04)3 • 2Н20 (сульфат железа окисный) обычно приго¬ товляют растворением Fe2 (S04)3 в H2S04. Продукт кристаллический, очень гигро¬ скопичный, хорошо растворяется в воде. Соли железа (III), применяемые в ка¬ честве коагулянтов, имеют преимущест¬ ва по сравнению с Al2 (S04)3. Так, при их использовании улучшается коагуля¬ ция при низких температурах воды, на этот процесс мало влияет pH среды, ускоряется осаждение скоагулированных частичек и сокращается длительность отстаивания (плотность хлопьеь Fe (ОН)3 больше, чем А1 (ОН)3). Недостатком солей железа (III) как коагулянтов является необходимость их тщательного дозирования, поскольку на¬ рушение его приводит к проскакиванию железа в очищенную воду. Хлопья Fe (ОН)3 осаждаются неравномерно, в связи с чем в воде остается большое ко¬ личество мелких хлопьев, поступающих на фильтры. Эти недостатки в значи¬ тельной мере можно устранить, добавив Al2 (S04)3. Хлорированный железный купорос Fe2 (S04)3 + FeCl3 получают непо¬ средственно на водоочистных станциях обработкой раствора FeS04 хлором. Теоретический расход хлора со¬ ставляет 0,128 г на 1 г FeS04 ■ 7Н20, а практически он достигает 0,160— 0,220 г: часть хлора расходуется, по- видимому, на окисление органических т Рис. 4.6. Схема установки для получения коагулянта FeCl3 контактированием хлорной воды с железной стружкой (по JI. А. Кульскому). примесей воды и образование более сложных соединений с железом. Приме¬ няется хлорированный железный купо¬ рос на водоочистных станциях в США, Англии, Бельгии, Голландии, Японии. Смешанный алюможелезный коагу¬ лянт приготовляют из растворов А12 (S04)3 (очищенного или неочищен¬ ного) и FeCl3 в соотношении 1 : 1 (по массе). Неочищенного А1г (S04)3 на 1 i FeCl3 следует брать около 3 т, посколь¬ ку он содержит около 30 % чистого Al2 (S04)3. Указанное соотношение мо¬ жет несколько изменяться в конкретных условиях работы очистных станций. Мак¬ симальное соотношение FeCl3KAI2 (S04)3 при использовании смешанного коагу¬ лянта равно 2 ! 1 (по массе). Вода, очищенная смешанным коагулян¬ том, как правило, не образует отложений даже при низкой температуре, посколь¬ ку коагуляция и осаждение хлопьев за¬ канчиваются в основном до фильтров; хлопья осаждаются равномерно, и в от¬ стойниках достигается более полное 3 5-2398 65
осветление воды. Применение смешанного коагулянта позволяет существенно уме¬ ньшить расход реагентов. При использовании смешанного коа¬ гулянта его компоненты можно вводить как раздельно, так и предварительно смешав растворы. Первый метод допус¬ кает большую гибкость при переходе от одного оптимального соотношения ре¬ агентов к другому. При втором методе проще осуществлять дозирование. 4.3. Получение и свойства флокулянтов Флокулянтами в технологии химической очистки воды называют вещества, ин¬ тенсифицирующие процесс коагуля¬ ции гидроксидов алюминия или железа (III). Они принадлежат к классу линей¬ ных полимеров, для которых характер¬ на цепочечная форма макромолекул. Мо¬ лекулярная масса флокулянтов находит¬ ся в пределах от десятков тысяч до не¬ скольких миллионов; длина цепочки, со¬ стоящей из ряда повторяющихся звеньев, составляет сотни нанометров. В качестве флокулянтов используют высокомолекулярные вещества, хорошо растворимые в воде. По современным представлениям водные растворы фло¬ кулянтов являются истинными раство¬ рами, т. е. гомогенными однофазными термодинамически устойчивыми систе¬ мами. Высокомолекулярные флокулянты обыч¬ но делят на органические (природные • / gg 2 о—• 3 4 Рис. 4.7. Процесс флокуляции взвешенных частичек полиакриламидом: а, 6 — адсорбция соответственно линейной и глобу¬ лярной молекул ПАА на хлопьях коагулянта; в, г — соответственно недостаток и избыток ПАА; д — опти¬ мальное соотношение Г1АА и коагулянта; / — адсор¬ бирующая группа; 2 — частички суспензии; 3 — внут¬ римолекулярная связь; 4 — молекулы органическо¬ го флокулянта. и синтетические) и неорганические. В ка¬ честве природных флокулянтов исполь¬ зуют крахмал, водорослевую крупку, белковые гидролизные дрожжи, карто¬ фельную мезгу, жмыхи и др. Из синте¬ тических флокулянтов применяют пре¬ жде всего органический полимер поли¬ акриламид (ПАА). Выпускают также фло¬ кулянты катионного типа (ВА-2, ВА-3), которые в отличие от флокулянта ПАА (анионного типа) вызывают образование крупных хлопьев без обработки приме¬ сей воды коагулянтами. Наиболее рас¬ пространенным неорганическим флоку- лянтом является активированный сили¬ кат натрия — активная (активирован¬ ная) кремниевая кислота. Крахмал представляет собой смесь двух углеводов: линейного полимера амилозы и сильно разветвленного поли¬ мера амилопектина. Выделяют крахмал из клубней картофеля, зерен кукурузы, риса и других растений в виде гранул, не растворимых в холодной воде. Крахмал относят к флокулянтам ани¬ онного типа с небольшим отрицательным зарядом. Флокулирующее действие его усиливают кислотной обработкой. Фло¬ кулянты на основе крахмала применяют для обработки питьевой воды в ФРГ, США, Нидерландах, Франции и других странах. Полиакриламид (ПАА) — белое аморф¬ ное хорошо растворимое в полярных растворителях вещество, содержащее ионогенные группы. ПАА гидролизуется водой, щелочами и кислотами с обра¬ зованием акриловой кислоты и ее солей. ПАА относится к полиэлектролитам, диссоциирующим в воде на высокомоле¬ кулярный поливалентный анион и ка¬ тионы. Механизм действия этого флоку¬ лянта основан на адсорбции его моле¬ кул на частичках А1 (ОН)3или Fe (ОН)3, образующихся при гидролизе солей-коа¬ гулянтов. Молекулы ПАА способны об¬ разовывать ассоциаты фибриллярного типа — пачки длиной 130 нм. Из-за вытянутой формы молекулы ПАА адсорб¬ ция происходит в разных местах с не¬ сколькими частичками гидроксида (рис. 4.7), в результате чего последние свя¬ зываются полимерными мостиками в тя¬ желые, крупные и прочные агрегаты. В СССР для очистки питьевой воды применяют два сорта технического 66
ПАА — известковый и аммиачный. Оба сорта ПАА выпускают в виде прозрачной желто-зеленой желеобразной массы, прилипающей к дереву, тканям, бумаге. ПАА разрешается использовать при условии, что содержание мономера ак- риламида в питьевой воде, определенное бромид-броматным методом, не превы¬ шает 0,2 %. Флокулянт ВА-2 представляет собой порошкообразный или 7—15 %-й под¬ вижный раствор полиэлектролита: (молекулярная масса (5...10) • 104). Флокулянт ВА-2 взаимодействуете гу¬ мусовыми веществами, образуя нераство¬ римые в воде агрегаты. Имея положи¬ тельный заряд, он адсорбируется на от¬ рицательно заряженных коллоидно-дис¬ персных примесях воды, связывая их в крупные агрегаты. Поэтому коагуля¬ ция в случае применения флокулянтов катионного типа происходит без обыч¬ ных минеральных коагулянтов — Al2 (S04)3 или FeCl3. Присутствующие в природной воде высокомолекулярные гуминовые кислоты образуют с флоку- лянтом ВА-2 нерастворимые агрегаты. Фенольные и гидроксильные группы гу¬ миновых кислот, взаимодействуя с ос¬ новными группами флокулянта, обра¬ зуют малодиссоциированные соли. Неорганический флокулянт — актив¬ ная кремниевая кислота (АК) — пред¬ ставляет собой коллоидный водный рас¬ твор оксида кремния (IV), получаемого частичной или полной нейтрализацией силиката натрия. Образующиеся мо¬ лекулы кремниевой кислоты, конден¬ сируясь, выделяются из раствора в виде отрицательно заряженных коллоидных частичек. Механизм взаимодействия АК с Fe (ОН)3 и А1 (ОН)3 объясняется либо взаимной коагуляцией разноименно за¬ ряженных частичек, либо воздействием ее на сверхмицеллярную структуру, воз¬ никающую при обработке воды коагу¬ лянтами. АК приготовляют на месте примене¬ ния непосредственно перед использова¬ нием. Сырьем служат силикат натрия (растворимое стекло) и активатор. В ка¬ честве последнего применяют: сульфаты алюминия или аммония, хлор, серную кислоту и др. Al2 (S04)3 + 3 (Na20 • 3Si02 • *Н20)->- -*■ 3Na2S04 -J- A1208 • 9 (Si02 • i/H20); Cl2 + H20 + Na20 • 3Si02 • *H20 -> -> NaCl + NaOCl + 3 (Si02 • i/H20); (NH4)2 S04 + NaaO • 3Si02 • xH20 —■ -* Na2S04 + 2NH4OH + 3 (Si02 - ;/H20); H2S04 + Na20 • 3Si02 • xH20 -> Na2S04 + 3 (Si02 • г/НгО). Процесс активации силиката натрия состоит в его разложении, нейтрализа¬ ции и получении свободной кремниевой кислоты или ее малорастворимых солей. Получаемая H2Si03 гидролизуется с образованием Si (ОН)4, который, в свою очередь, постепенно дегидратируясь, по- лимеризуется с образованием силоксано- вых связей: ОН ОН 2Si (ОН)4 НО—Si—О—Si—ОН + Н„0 и т. д. I I ОН он На эффективность флокулирующего действия АК сильно влияют концентра¬ ция силиката натрия, степень нейтрали¬ зации, длительность вызревания и хра¬ нения полученных растворов. Наиболее перспективным способом приготовления АК на водоочистных стан¬ циях является обработка растворов жид¬ кого стекла хлором и сульфатом алю¬ миния, т. е. реагентами, применяемыми при очистке воды. Золи АК, обладающие наиболее силь¬ ными флокулирующими свойствами, мо¬ гут быть получены при соблюдении таких условий; концентрация раствора силиката натрия (в пересчете на Si02) 0,5—3,5 %; мольное соотношение Cl2/Na20 = 0,47; время вызревания t — 80—50 % времени гелеобразования Т (при Cl2/Na20 = 0,70) и 50—20 % (прп Cl2/Na20 = 0,66); жесткость воды для разбавления не более 4 мг-экв/л (рис. 4.8) Использование флокулянтов на стан¬ циях обработки воды позволяет уско¬ рить в камерах хлопьеобразования и отстойниках формирование хлопьев и их осаждение, улучшить эффект осветле¬ ния воды и увеличить скорость ее дви- 3* 67
4 5 О 20 АО 00 80 100 Время бызреВания, % Г О 12 3 Содержание Si02, % а жения в очистных сооружениях. В освет¬ лителях со взвешенным осадком они способствуют увеличению концентрации частичек во взвешенном слое и уменьше¬ нию выноса из него взвешенных веществ при одновременном повышении скоро¬ сти восходящего потока воды. На филь¬ трах и контактных осветлителях при¬ менение флокулянтов способствует удлинению времени защитного действия загрузки, улучшению качества фильтра¬ та, повышению скорости фильтрования и относительному сокращению расхода промывной воды. Добавление небольших доз флокулян¬ тов перед отстойниками или осветлите¬ лями интенсифицирует и улучшает ра¬ боту как этих сооружений, так и фильт¬ ров. Для улучшения процесса фильтро¬ вания флокулянты добавляют непосред¬ ственно перед поступлением воды на фильтры или контактные осветлители. Применение флокулянтов на дейст¬ вующих станциях обработки воды поз¬ воляет увеличивать производительность отдельных сооружений и станции в целом. В период паводков, низкой тем¬ пературы воды и др., когда технологи¬ ческие сооружения обеспечивают полу¬ чение воды стандартного качества лишь при пониженной производительности, ис¬ пользование флокулянтов позволяет сохранять требуемую производитель¬ ность сооружений. Флокулянты могут также значительно улучшить качество очищенной воды, если эксплуатируемые технологические сооружения по типу или расчетным параметрам не соответ¬ ствуют загрязняющим воду примесям. В ряде случаев применение флокулян¬ тов позволяет увеличить производитель¬ ность действующих станций в 1,5 раза, 5 а при правильном сочетании с простей¬ шими мероприятиями по реконструк¬ ции сооружений еще больше. Использованию флокулянтов в тех¬ нологии обработки воды принадлежит большое будущее. Изыскание новых вы¬ сокоэффективных нетоксических и эко¬ номичных флокулянтов, а также иссле¬ дование их технологических свойств яв¬ ляется одной из важных задач науки об очистке воды. 4.4. Оптимальные условия и интенсификация процесса коагуляции Образующиеся в процессе гидролиза коа¬ гулянтов А1 (ОН)3 и Fe (ОН)., характери¬ зуются очень малой растворимостью. Оценивать влияние находящихся в рас¬ творе ионов на процесс их осаждения для малорастворимых веществ можно по про¬ изведению растворимости ПР. При по¬ стоянной температуре величина ПР не изменяется. Для А1 (ОН)3 и Fe (ОН)3 ПР соответственно равны: ПРд1(онь = 1А13+1-[ОН-13 = = 2,0 • 10—32 (18 °С) и 1,9 - Ю—33 (25 °С); ПРре,он)з = [ре'3+1 • ЮН"]3 = = 3,2 • 10-38 (18 °С) и 3,8 • 10-38 (25 °С). Растворимость малорастворимых со¬ единений S можно определить по форму¬ ле S = [Me3+| = ^nPMe(OHb/27 . После вычисления получим, что при 25 °С SaI(oh)s составляет 2,9 х X 10-9 моль/л (0,23 • 10~3 мг/л), а •SFe(OH)s — 2,0 • 10-10 моль/л (0,21 X X Ю~4 мг/л). 68
i \л 'Ф 1 ъ % % у\ Х/ \ % У/Л у s: „ &40 ho 20 10 И 2 3 pH боды Температура, X 6 4 5 6 7 б 9 10 pH Шы 6 3 4 5 6 7 8 9 pH Мы г Рис. 4.9. Свойства коагулянтов, образующихся при добавлении в воду AU iSO,)3 при различных значениях pH среды: а — состав выделяющихся осадков; о — растворимость осадков в зависимости от температуры и pH сре¬ ды: в — область существования осадков: ' — влияние содержания ионов SO? на коагуляцию. Состав сульфата алюминия в зависи¬ мости от pH среды значительно изменя¬ ется. Соотношения различных осажда¬ ющихся соединений алюминия приведе¬ ны на рис. 4.9, а. Из графика видно, что при pH = 7,5 наряду с А1 (ОН)3 при¬ сутствуют и его основные соли, также характеризующиеся малой раствори¬ мостью. Если содержание соединений алюми¬ ния в воде после отстаивания и фильтро¬ вания превышает растворимость его сое¬ динений, образующихся при данных зна¬ чениях pH, вода пересыщена и в трубах возможно появление отложений. При различных значениях pH содержание ионов А13+ и Fe3 f в растворе определя¬ ют по формуле \Ме3+] = lgnP/Vle(OH)j/10-3pH. Растворимость А1 (ОН)3 уменьшается при повышении температуры и пониже¬ нии pH воды (см. рис. 4.9, б). При pH < < 4,5 гидролиз сульфата алюминия не заканчивается образованием гидрокси¬ да, поскольку образуются растворимые основные соли (см. рис. 4.9, в). При pH > 8,5 амфотерный гидроксид алю¬ миния растворяется вследствие образо¬ вания алюминатов. Зона оптимальных значений pH зна¬ чительно расширяется в сторону низких доз А1 (ОН)3 при увеличении содержания ионов SO*- (см. рис. 4.9, г). Осветле¬ ние и обесцвечивание вод разного соста¬ ва сульфатом алюминия достигается при таких значениях pH: для мягких вод с цветностью более 50 град, и щелоч¬ ностью до 1,5 мг-экв/л — 5...6; для вод с цветностью до 40 град., жесткостью 5 мг-экв/л и щелочностью 3—4 мг- экв/л — 6...7,2; для малоцветных вод жесткостью 6—8 мг-экв/л, со степенью минерализации 800—1000 мг/л и щелоч¬ ностью более 5 мг-экв/л — 6,5...7,5. Соединения железа (III) при гидроли¬ зе выделяют осадок Fe (ОН)3 в более ши¬ роком диапазоне значений pH, чем соеди¬ нения алюминия; образующийся Fe (ОН)3 не обладает амфотерными свой¬ ствами. Fe (ОН)2 выделяется в осадок лишь при pH > 8. С увеличением дозы гидролизующейся соли скорость хлопьеобразования и осаждения А1 (ОН)3 и Fe (ОН)3 воз¬ растает. Способствуют этому процессу также повышение температуры и пере¬ мешивание. При низких температурах в зимнее время очистка воды сульфа¬ том алюминия протекает неудовлетвори¬ тельно: процессы хлопьеобразования и осаждения замедляются, хлопья обра¬ зуются очень мелкие, в очищенной воде появляются заметные количества оста¬ точного алюминия (вода опалесцирует). Это объясняется изменением вязкости воды. Согласно литературным данным, вязкость воды при 1 °С примерно в 2 ра¬ за больше, чем при 30 °С. Во столько же раз замедляется и скорость осаждения взвешенных в ней частичек, так как по закону Стокса указанные величины об¬ ратно пропорциональны друг другу. Не¬ которые авторы объясняют это замедле¬ нием самого процесса хлопьеобразования, другие—замедлением скорости гидролиза сульфата алюминия и реакции его с гид¬ рокарбонатами природных вод. Подвижность коллоидных частичек в процессе коагуляции возрастает при пе- 69
Температура, °С Рис. 4.10. Зависимость оптимальной дозы коагулянта от температуры при очистке воды от глинистой взвеси. ремешивании растворов. Так, при 20 °С процесс коагуляции в результате пере¬ мешивания ускоряется примерно в 2 раза, поскольку при этом происходят перикинетическая и ортокинетическая 1 коагуляции. Ускорение процесса коагуляции и укрупнение хлопьев при низких темпера¬ турах воды может быть достигнуто удли¬ нением времени перемешивания. Движу¬ щийся поток жидкости влияет на про¬ цесс лишь тогда, когда частички уже до¬ стигли определенного размера в резуль¬ тате коагуляции при броуновском дви¬ жении. Если быстрое протекание коа¬ гуляции не может быть полностью вос¬ становлено при низких температурах перемешиванием, то это свидетельству¬ ет о том, что в данном случае агрегаты частичек гидроксида не могут достичь размеров, при которых может появиться ортокинетическая коагуляция в резуль¬ тате действия потока. Изменение оптимальной дозы коагу¬ лянта при снижении температуры обра¬ батываемой воды, содержащей 300 мг/л глинистой взвеси, показано на рис. 4.10. Дозу коагулянта для достижения оди¬ накового эффекта очистки при этом тре¬ буется увеличить почти в 2 раза. Предварительная обработка воды окислителями повышает эффективность коагуляции. Это объясняется тем, что хлор и другие окислители разрушают гидрофильные органические соединения, стабилизирующие дисперсные примеси воды, и облегчают условия протекания коагуляции. Особенно эффективно при¬ 1 Перикинетической называется коагуляция, протекающая при броуновском движении час¬ тичек, ортбкинетической — протекающая при искусственном перемешивании. менять окислители для обработки цвет¬ ных вод. При этом ускоряется осветле¬ ние воды и возрастает гидравлическая крупность хлопьев скоагулированной взвеси. Сокращение длительности коагуляции (на 30—80 %) при низкой температуре воды и снижение оптимальной дозы коа¬ гулянта может быть достигнуто введе¬ нием замутнителей. При искусственном замутнении воды существенную роль иг¬ рает степень дисперсности вводимых час¬ тичек. Особенно ускоряется процесс коа¬ гуляции, если размер добавляемых час¬ тичек не превышает 3 мкм. В этом слу¬ чае удается ускорить процесс хлопье- образования на 30—50 %. Предлагается вводить в воду взвесь или коллоидные вещества, например, 10 мг/л высокодис¬ персной глинистой взвеси или 2—5 мг/л порошкообразного активированного уг¬ ля. В зарубежной практике широко при¬ меняется так называемый черный коа¬ гулянт — смесь порошкообразного угля с коагулянтом. Ускорить процессы формирования и осаждения хлопьев можно также ис¬ пользованием промывной воды фильтров и осадка отстойников. Рекомендуется сначала вводить про¬ мывную воду в количестве 5—25 % исходной воды, затем коагулянт. Ис¬ пользование промывной воды и осадка отстойников в качестве добавки к неочи¬ щенной воде, а также к воде, обрабо¬ танной различными дозами коагулянта, позволяет улучшить качество очищаемой воды, значительно снизить расход коа¬ гулянта и ускорить осаждение скоагу¬ лированной взвеси в отстойниках и ос¬ ветлителях. Введение илламов позволяет сэконо¬ мить 25—30 % коагулянта. Эффектив¬ ное влияние шлама объясняется тем, что при низких температурах он представля¬ ет собой уже готовые крупные частички такого же строения, что и выделяющий¬ ся гидроксид. Таким образом, время, необходимое для формирования сверх- мицеллярных агрегатов, сокращается. При этом ускоряется процесс хлопьеоб- разования, возрастают размеры хлопь¬ ев, быстрее идет их осаждение, а следо¬ вательно, интенсивнее осветляется вода. Процесс коагуляции А1 (ОН)3 можно также значительно ускорить обработ¬ ай
кой воды смесью коагулянтов. Действие коагулянтов при этом обоюдно усилива¬ ется. Такое явление происходит, напри¬ мер, при использовании смеси Al2 (S04)3 и FeCl3 в соотношении 1:1; 1 : 2; 2 : 1 или этих же коагулянтов совместно с Na2Si03. Аналогичный эффект улучше¬ ния коагуляции достигается обработ¬ кой воды смесью неочищенного и очи¬ щенного глинозема в соотношении 3 : 1 или смесью коагулянтов глинозема и хлорида железа (III) в соотношениях 3 : 1 или 4:1. Вместо сернокислого глинозема для обработки воды рекомендуется исполь¬ зовать оксихлорид алюминия. Опыт при¬ менения этого коагулянта показал хо¬ рошие результаты на ряде водоочистных станций. Улучшить коагуляцию можно также обработкой воды сульфатом алюминия или хлоридом железа (III) с предвари¬ тельным выделением их гидроксидов. Сущность этого процесса состоит в том, что расчетные дозы сернокислого гли¬ нозема и известкового молока вводят в промежуточный реактор, в который пода¬ ют 1 % обрабатываемой воды. В реакторе образуются мелкие хлопья гидрокси¬ дов основных солей алюминия, облада¬ ющие высокой сорбционной способ¬ ностью и хорошо агломерирующиеся в крупные хлопья. Затем из реактора эту суспензию подают в поток воды, поступа¬ ющей на станцию очистки. Эффективность коагуляции примесей и диапазон действия доз коагулянта Fe2 (S04)3 • 2НгО можно значительно расширить добавлением в его растворы концентрированной H2S04. Подкисле- ние коагулянта позволяет либо повысить качество очистки окрашенных вод (цвет¬ ность снижается в 7—8 раз, мутность — в 2—2,5 раза, остаточное содержание же¬ леза — в 5—6 раз), либо уменьшить расход коагулянта при сохранении ка¬ чества очищаемой воды. Раствор коагулянта следует подкис¬ лять таким образом, чтобы pH обрабо¬ танной воды был не ниже 6,5—6,0, по¬ скольку дальнейшее подкисление раство¬ ра приводит к увеличению содержания Fe3+ в воде. Подкисление раствора коагулянта имеет преимущество перед подкислением воды: исключается необходимость раз¬ дельного дозирования кислоты и коагу¬ лянта, сокращается объем реагентного хозяйства. Процесс коагуляции можно ускорить, применяя метод концентрированного коа¬ гулирования, при котором требуемое ко¬ личество коагулянта подают лишь в часть обрабатываемой воды. После тща¬ тельного смешения с раствором коагу¬ лянта поток обработанной воды объеди¬ няют (обычно в начале камер хлопьеоб¬ разования) с потоком остальной необра¬ ботанной воды. Этот метод обладает некоторыми преимуществами: а) распре¬ деление всего коагулянта только в час¬ ти воды создает условия для ускоренного хлопьеобразования; б) после смешения с необработанной водой хлопья, сформи¬ ровавшиеся в условиях повышенной кон¬ центрации коагулянта, хорошо удаляют примеси воды. Метод не всегда дает положительные результаты, что объясняется изменением свойств обрабатываемой воды и загряз¬ нений. К физическим (безэлектролитным) ме¬ тодам интенсификации процесса коагу¬ ляции относится воздействие электри¬ ческого и магнитного полей, ультразву¬ ка и ионизирующего излучения. Под воздействием электрического поля ускоряются процессы формирования и осаждения скоагулированной взвеси, по¬ лучаемой при обработке мутных вод сульфатом алюминия; повышается сте¬ пень очистки воды от органических и не¬ органических примесей фильтрованием; улучшается отделение водорослей. Воздействие магнитного поля при¬ водит к уменьшению структурно-меха¬ нической гидратации и ^-потенциала частичек. Сорбционная емкость продук¬ тов гидролиза коагулянтов по отноше¬ нию к гуминовым веществам возрастает на 30—40 %. При очистке вод, содер¬ жащих минеральные взвеси, магнитная обработка: а) вызывает увеличение плотности и гидравлической крупности хлопьев скоагулированной взвеси; б) позволяет повысить производитель¬ ность отстойников и осветлителей со взвешенным осадком; в) приводит к не¬ которому снижению мутности освет¬ ленной воды. Омагничивание цветной и железосо¬ держащей воды позволяет увеличить 71
объемную массу скоагулированной взве¬ си и в 2—10 раз снизить остаточные кон¬ центрации примесей. Для интенсификации процесса коагу¬ ляции рекомендуется омагничивать воду за 10—60 с до ввода раствора коагулян¬ та, скорость движения воды в рабочем зазоре магнитного генератора поддержи¬ вать 1 м/с, количество знакопеременных магнитных контуров в генераторе долж¬ но составлять 4—6, длительность омаг- ничивания — 0,6—1 с. Можно омагни¬ чивать лишь часть (например, половину) обрабатываемой воды, а затем смеши¬ вать ее (до ввода коагулянта) с осталь¬ ной водой. Интенсифицировать процесс коагуля¬ ции можно магнитной обработкой рас¬ твора коагулянта. Эффект активации раствора зависит от напряженности маг¬ нитного поля. Улучшает процесс очистки воды коа¬ гулирование под током. По этому методу воду с добавленными к ней небольшими дозами сульфата алюминия пропускают между алюминиевыми электродами, под¬ ключенными к источнику постоянного или переменного тока. В этом случае сохраняется преимущество метода элект¬ ролитического коагулирования, а рас¬ ход электроэнергии не превышает 10 Вт/м3 воды. Коагуляции примесей воды способст¬ вует обработка ее ультразвуком. Однако разрушение механических примесей, уменьшающее степень полидисперсности суспензии, может сказаться отрицатель¬ но. Исследования коагуляции ультра¬ звуком показывают, что наилучшие ре¬ зультаты получаются при относительно низких частотах ультразвука. С увеличе¬ нием частоты ультразвука возрастает скорость коагуляции; оптимальная про¬ должительность озвучивания составля¬ ет 1—3 мин. Действие ионизирующих у-, |3- и рент¬ геновских лучей преимущественно сво¬ дится к интенсификации окисления ор¬ ганических и минеральных примесей растворенным в воде кислородом, в ре¬ зультате чего вода обесцвечивается, обез¬ зараживается, дезодорируется, а также ускоряется осаждение взвешенных при¬ месей. Все перечисленные процессы об¬ легчают обработку воды гидролизирую¬ щимися коагулянтами, расширяют сфе¬ ру их применения. В качестве источни¬ ков излучения чаще всего используют 60Со и 137Cs, реже 90Sr, 204Т1, 147Еи и др. Облучение не вызывает ядерных пре¬ вращений в растворах коагулянтов и во¬ де и, следовательно, безопасно. 4.5. Применение окислителей для обесцвечивания воды Вода, используемая для хозяйственно¬ питьевых целей, должна иметь высокие органолептические показатели (отсутст¬ вие окраски, привкуса и запахов, вред¬ ных минеральных и органических при¬ месей и пр.). Окраску природных вод в основном вызывают гуминовые вещест¬ ва болотного или почвенного происхож¬ дения. Как показывают эксперименталь¬ ные исследования и опыт работы водо¬ очистных станций, окисление и адсорб¬ ция или комбинация этих методов в боль¬ шинстве случаев обеспечивают получе¬ ние воды требуемого качества при доста¬ точно разнообразном органическом со¬ ставе воды, поступающей на обработку. Обесцвечивание природных вод хло¬ ром. Взаимодействуя с различными ор¬ ганическими веществами, активный хлор вступает в реакции замещения, окисле¬ ния и присоединения. В технологии очистки воды чаще всего происходят ре¬ акции замещения (хлорирование фено¬ лов и др.) и окисления (гуминовых веществ, спиртов и др.). Хлорирующие соединения в реакциях замещения располагаются в такой по¬ следовательности: С12 > НС10 > CIO-. Величина окислительно-восстановитель¬ ного потенциала окислителя не всегда определяет кинетику процесса окисле¬ ния, которая в ряде случаев зависит от образования различных активных форм окисляемых или промежуточных веществ. Процесс взаимодействия загрязняю¬ щих воду примесей с хлором оценива¬ ется обычно хлоропоглощаемостью. Это связано с наличием в природных водах неорганических и органических соеди¬ нений, которые взаимодействуют с хло¬ ром с разной скоростью. Исследование реакций хлора с выде¬ ленными из воды и почв окрашенными органическими кислотами показывает, что при всех значениях pH преоблада¬ 72
ют реакции окисления, приводящие к обесцвечиванию воды. При взаимодействии хлора с гумино- вой, апокреновой и креновой кислотами быстрее всех окисляется креновая кис¬ лота. Так, при 30-кратном избытке хло¬ ра и времени контакта 24 ч на окисление креновой кислоты хлора расходуется 35 %, а апокреновой — 4 %. Максимальная скорость окисления гу- миновых веществ и степень их обесцве¬ чивания наблюдаются при pH = 7,5... ...8. Активный хлор в этих пределах pH находится в виде эквивалентной смеси НСЮ и CIO-. Процесс обесцвечивания водного гу¬ муса хлором зависит от его фракцион¬ ного состава. Например, для снижения цветности креновой кислоты на 1 град требуется 3,5, а апокреновой — 0,2 мг хлора. Хлорирование природной воды наря¬ ду с обесцвечиванием обеспечивает так¬ же снижение ее окисляемости, что объ¬ ясняется образованием не реагирующих с окислителями соединений. Температура на процесс обесцвечива¬ ния воды влияет незначительно. Увеличение дозы хлора не приводит к резкому снижению цветности воды, а в некоторых случаях, наоборот, цвет¬ ность возрастает. Объясняется это од¬ новременным уменьшением цветности ин¬ тенсивно окрашенных гумусовых ве¬ ществ и повышением цветности малоок- рашенных соединений. Поэтому для осуществления эффектив¬ ного обесцвечивания воды требуется не только количественное, но и качествен¬ ное изучение состава компонентов, об¬ условливающих цветность. Установлено, что компоненты окра¬ шивающих воду веществ окисляются практически с одинаковой скоростью, однако количественные изменения окраски отдельных составляющих водно¬ го гумуса зависят от их концентрации в воде. Если учесть, что цветность природ¬ ных вод обусловлена в основном фуль- вокислотами, целесообразность приме¬ нения повышенных доз хлора для их очистки не вызывает сомнения. При этом одновременно снижается концентрация креновых кислот, плохо сорбирующихся гидроксидами алюминия и железа (III). Процесс окисления гумусовых веществ можно охарактеризовать кинетическими уравнениями. Для расчета процесса обесцвечивания воды хлором использу¬ ют эмпирическую формулу Цс = (0,25а + 2,5) lg [Cl] + (0,07Ц + 0,64) t0-2, где Цс — устраненная цветность, град; Ц — цветность исходной воды, град; t — время контакта хлора с водой, мин; [СИ — доза хлора, мг/л. Обесцвечивание природных вод озо¬ ном. Озон окисляет соединения, вызыва¬ ющие цветность воды, превращая их молекулы в более простые, не имеющие окраски (креновые, субкреновые кис¬ лоты и др.). Расход озона на обесцве¬ чивание природных вод составляет 1— 18 мг/л. При взаимодействии гумусовых кис¬ лот с озоном все боковые цепи и меток- сильные группы окисляются до С02 и карбоксильных групп, а фенольные гидроксиды — до хинонов. Молекулы высокомолекулярных гумусовых ве¬ ществ разрываются по месту мостиков с образованием более простых и менее окрашенных соединений. Вследствие озонирования образуют¬ ся С02 (от 20 до 40 %), незначительное количество щавелевой, уксусной и му¬ равьиной кислот; гуминовые кислоты превращаются в апокреновые, апокре- новые — в креновые, а последние — в малоокрашенные субкреновые кислоты. Остающиеся в воде после озонирования креновые и субкреновые кислоты по физиологическому действию, как и гу¬ мусовые кислоты, не вредны для живых организмов. В процессе озонирования воды ее ми¬ неральный состав, щелочность, значе¬ ние pH, показатель стабильности и со¬ держание свободного С02 не изменяют¬ ся, вода насыщается кислородом, устра¬ няется запах. Эффект обесцвечивания воды озоном возрастает при понижении температуры воды. Повышение темпера¬ туры замедляет снижение цветности, что объясняется доокислением в этих усло¬ виях части гуминовых соединений, со¬ провождающимся усилением их окраски, а следовательно, и цветности воды. Повышение мутности воды, вызывае¬ мой каолиновыми и почвенными частич¬ ками, не ухудшает процесс обесцвечи¬ вания и не отражается на расходе озо¬ 73
на. Таким образом, интенсивно окра¬ шенные мутные воды вполне можно обрабатывать озоном. Однако, посколь¬ ку озонирование должно одновременно и обеззараживать воду, при кратковре¬ менном повышении мутности исходной воды необходимо применять коагулирова¬ ние взвешенных веществ, а озонирование производить после фильтрования воды. Исследования, проведенные на Вос¬ точной водопроводной станции г. Моск¬ вы, показывают, что независимо от цвет¬ ности исходной воды и времени года 1 мг озона снижает цветность обрабаты¬ ваемой воды на 8—10 град. При цветнос¬ ти исходной воды 40—50 град требования ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая» достига¬ ются только озонированием. Сравни¬ тельные исследования по хлорированию воды показали, что доза хлора 1 мг/л снижает цветность только на 3 град. Обработка воды озоном придает ей приятный, отчетливо выраженный го¬ лубой оттенок, в то время как после хлорирования вода имеет зеленовато- желтый цвет. Если в исходной воде присутствуют железо и марганец, при озонировании воды ее цветность может возрастать. Такое явление наблюдалось, например, на Днепровской водопроводной станции г. Киева. В некоторые периоды года цветность воды, обработанной озоном, повышалась на 10—15, а иногда на 30— 40 град, соответственно увеличивалась и мутность от 0,9 до 1,9 мг/л. Однако после фильтрования вода соответство¬ вала требованиям ГОСТа. 4.6. Контактная коагуляция Контактной коагуляцией называется процесс прилипания микроскопических коллоидных и взвешенных частичек при¬ месей воды к макроскопическим частич¬ кам сорбента или к поверхностям зер¬ нистого материала под действием моле¬ кулярных сил притяжения. Процесс взаимодействия и слипания частичек, значительно отличающихся размерами, по физической сущности является коагуляционным. Здесь так же, как и при взаимодейст¬ вии частичек относительно одинаковых размеров, сближение их происходит под действием броуновских сил, в результа¬ те перемешивания или направленного движения мелких частичек относитель¬ но крупных. Удерживание мелких час¬ тичек на поверхности крупных обуслов¬ лено вандерваальсовскими силами. Од¬ нако характер протекания этого процес¬ са, по сравнению с обычной коагуляци¬ ей, имеет некоторые особенности. К ним относятся: увеличение скорости и пол¬ ноты извлечения из воды мелких части¬ чек крупными и повышение интенсивнос¬ ти их прилипания; значительно мень¬ шая устойчивость мелких частичек в от¬ ношении прилипания к поверхности крупных. На процесс контактной коагу¬ ляции почти не влияют температура во¬ ды и ее щелочность. Чем выше относи¬ тельная концентрация крупных части¬ чек взвеси по отношению к мелким, тем в большей степени проявляются эти особенности. Процесс контактной коагуляции име¬ ет очень важное значение в технологии очистки воды. Из практики известно, что присутст¬ вие в воде низкодисперсных взвесей ускоряет процесс коагуляции примесей и осветления воды. Так, например, по¬ ступление из камер хлопьеобразования в отстойники скоагулированной взвеси с различной степенью дисперсности при¬ водит при осаждении к столкновению крупных частичек с мелкими, которые прилипают к их поверхности и осажда¬ ются с большей скоростью. Увеличение эффекта коагулирования примесей воды в процессе дробного, раздельного и прерывистого коагулиро¬ вания, рециркуляции осадка также мо¬ жет быть объяснено контактированием мелких частичек примесей воды с круп¬ ными частичками гидроксидов. Процесс слипания частичек, сильно различающихся по размерам, имеет осо¬ бенно большое значение при осветлении воды в контактных осветлителях и фильт¬ рах и в осветлителях со слоем взвешен¬ ной контактной среды. При фильтровании воды сразу после до¬ бавления коагулянта через зернистую загрузку концентрация коллоидных и взвешенных примесей значительно уменьшается. Коагуляция в слое зер¬ нистых материалов протекает полнее и во много раз быстрее, чем при обычной коагуляции в свободном объеме. Укруп¬
нение частичек гидроксидов, сорбиро¬ вавших пргимеси, с образованием хлопь¬ ев происходит в слое фильтрующей загрузки в результате прилипания коа¬ гулирующих частичек к зернам фильт¬ рующего материала. Оптимальную дозу коагулянта при дозировании его перед фильтрами уста¬ навливают на основании кривой кон¬ тактной коагуляции, характеризующей зависимость цветности или мутности во¬ ды от дозы коагулянта при фильтрова¬ нии ее через бумажный фильтр. Опти¬ мальная доза принимается на 5—10 % больше дозы, отвечающей границе рез¬ кого спада кривой. При проведении коагуляции в слое зернистой загрузки отпадает необходи¬ мость в камерах хлопьеобразования, отстойниках или осветлителях. Взвешенная контактная среда в освет¬ лителях формируется из гидроксидов алюминия или железа и представляет собой фильтр, обеспечивающий ускоре¬ ние процесса освобождения воды от взвешенных веществ. При прохождении окрашенных природных вод через мас¬ су осадка гидроксида с не полностью ис¬ пользованной адсорбционной емкостью улучшается обесцвечивание воды. При¬ менение осветлителей позволяет значи¬ тельно сократить объем очистных соору¬ жений, улучшить работу фильтров и снизить расход реагентов. 4.7. Электрохимическая коагуляция Прогрессивным направлением в техноло¬ гии очистки воды является применение электрохимических методов, в частности метода очистки воды в электролизере с растворимыми электродами, извест¬ ного под названием «электрокоагуля¬ ция». В случае применения растворимых ме¬ таллических электродов электродный процесс сопровождается совокупностью электрохимических явлений и реакций, скорость которых, согласно законам электрохимической кинетики, опреде¬ ляется общим значением потенциала на границе металл — раствор, составом рас¬ твора и условиями диффузии компонен¬ тов или продуктов реакции в растворе. В результате электролиза на электро¬ дах восстанавливаются или окисляются компоненты электролита. Электричест¬ во переносится всеми находящимися в воде ионами, а также заряженными кол¬ лоидными и взвешенными частичками. Однако из-за малой подвижности по¬ следних в основном перенос электриче¬ ства в природных водах осуществляют катионы К+, Са2+, Na+, Mg2+ и анионы НСОГ, SO|~ и С1_, а также ионы Н+ и ОН-, всегда содержащиеся в воде. Количество металла т, растворивше¬ гося в воде в результате электролиза, определяют по формуле tAI т = Т1 , ' Fn где г] — коэффициент выхода металла по току, %; t — время прохождения то¬ ка, ч; А — атомная масса металла; / — сила тока, A; F — число Фарадея (96 500 Кл); п — валентность металла. Теоретически при расходе электри¬ чества 26,8 А • ч растворяется 8,99 г алюминия или 27,93 г железа. Электрохимическое растворение ме¬ таллов включает две основные группы процессов: растворение за счет внешнего тока (анодное растворение металлов) и химическое растворение в результате взаимодействия металлов с окружающей средой. Так, на алюминиевом аноде мо¬ гут протекать химические реакции, не¬ посредственно не связанные с действием электрического тока: А1 — Зе -*■ А13+; А13+ + ЗОН- — А1 (ОН)3. Процессу химического растворения алюминия способствуют наличие в воде ионов-депассиваторов, повышение ско¬ рости движения жидкости по отношению к поверхности металла, воздействие по¬ стоянного электрического тока и др. В связи с этим выход алюминия по току может достигать 130—140 %. Согласно теории электрохимической коррозии, при использовании в качестве анода алюминия или железа наиболее вероятны в природной воде такие реак¬ ции: А1 — Зе -» Al3+; Fe — 2е -► Fe2+ (анодное растворение); А13+ + ЗОН" -» А1 (ОН)3; 75
Fe2+ + 20H- -> Fe (0H)a; 4Fe (OH)2 + 02 + 2H20 -» 4Fe (0H)3 (образование гидроксидов). На алюминиевом или железном като¬ де, помещенном в природную воду, мо¬ гут протекать следующие электрохими¬ ческие процессы: Н+ + 1е Н; Fe3+ + 1е Fe2+ (деполяризация мигрирующими ионами); 02 + 4е + 2Н20 ->■ 40Н— (деполяризация нейтральными молекулами в щелочной среде); 02 -f- 4е —J— 4Н+ —► 2Н?0 (в кислой и нейтральной среде) или Cl2-f-2e-*-2Cl—; Ре2+ -|- 2е ->- Fe°; Fe304 + Н30 + 2е 3FeO + 20Н“ (восстановление ионов металлов и нерастворимых пленок, например, оксидов); RO + 4е + 4Н+ ЯН2 + Н20; R + 2е + 2Н+ /?Н2 (восстановление органических соединений; R — радикал или органическая молекула). Из перечисленных катодных процессов в природной воде в основном имеет мес¬ то кислородная и водородная деполя¬ ризация, причем каждая из этих реак¬ ций в зависимости от условий может пре¬ валировать. Кроме того, на алюминие¬ вом катоде возможно протекание реак¬ ций взаимодействия алюминия с водой 2А1 + 6Н20 = 2А1 (ОН)3 + ЗН2Т благодаря значительному повышению значения pH (до 10,5—12,0) в прикатод- ном слое во время электролиза и раство¬ рения защитной пленки А1203. Протекание электрохимических про¬ цессов на металлических электродах сопровождается адсорбцией на них не¬ органических и органических веществ, которые могут ускорять или замедлять электрохимические реакции, выделени¬ ем на электродах пузырьков газа (Н2, 02 и др.), которые способны переносить вещество из жидкости на поверхность («электрофлотация»), электрофорезом (движением в воде взвешенных твердых частичек, пузырьков газа, капель дру- ^ Рис. 4.11. Зависимость выхода алю¬ миния по то¬ ку от темпе¬ ратуры во¬ ды: /—3 — плот¬ ность TOK0 5 0 20 40 60 80 too соответствен- QQ но 2, 5 и Температура\ X i о мА/см2. гой жидкости и коллоидных частичек) и другими явлениями. На процесс растворения электродов влияют физико-химические, электри¬ ческие и гидродинамические факторы: активная реакция среды, ее солевой состав, температура, состав электрода, плотность тока, частота смены полярнос¬ ти, скорость движения воды в меж- электродном пространстве и др. На рис. 4.11 представлена зависимость вы¬ хода алюминия по току от температуры воды. Существенное значение при очист¬ ке воды электрокоагуляцией имеет плот¬ ность тока. Наиболее эффективной мо¬ жет быть работа электролизеров при высоких плотностях тока, поскольку при этом более интенсивно используется их вместимость и рабочая поверхность электродов. Однако с повышением плот¬ ности тока усиливаются поляризацион¬ ные явления и пассивация электродов, что приводит к возрастанию напряжения и затрате электроэнергии на побочные процессы. Например, железные электро¬ ды более восприимчивы к пассивации, чем алюминиевые. С ростом плотности тока увеличивается скорость химическо¬ го растворения алюминия, и тем в боль¬ шей степени, чем меньше его чистота. Существуют противоречивые мнения от¬ носительно выбора оптимальной плот¬ ности и частоты смены полярности тока на электродах. Большинство исследо¬ вателей рекомендует плотность тока в пределах 0,5—20 мА/см2, расстояние между электродами 10—15 мм. По мне¬ нию Л. А. Кульского, П. П. Строкача и В. А. Слипченко, эффективной плот¬ ностью тока для удаления из воды боль¬ шинства загрязнений может быть 1— 4 мА/см2. С учетом мероприятий по. тех¬ нике безопасности рабочее напряжение на электродах установок не должно превышать 40 В. Для предотвращения образования осадка рекомендуется менять на элект¬ родах полярность тока. Однако смена полярности тока не всегда эффективна; в период переключения полярности рез¬ ко снижается выход алюминия по току и трудно удаляются осадки на электродах. Процесс активного окисления метал¬ лов при электролизе осложняется их пассивацией. Например, на поверхнос¬ ти алюминия оксидная пленка образу- 76
/ Рис. 4.12. Безнапорные пластин¬ чатые электрокоагуляторы: а — горизонтальные; 6 — вер¬ тикальные; / — изолирующие вставки; 2 — электродные пла¬ стины; 3 — токоведущие встав¬ ки Рис. 4.13. Электролизер с бипо¬ лярным подключением электро¬ дов. ется в результате реакции 2А13+ + 302~ А1203; 2А1 + 30 -*■ А!203. При этом потенциал анода смещается в сторону положительных значений. Сте¬ пень активности алюминиевого анода в значительной мере зависит от природы и концентрации присутствующего в рас¬ творе аниона. На активность алюминие¬ вого анода наиболее сильно влияет хло- рид-ион. Механизм активирующего действия хлорид-ионов обусловлен их небольшими геометрическими размерами и легкостью проникновения через пленку, в результа¬ те чего она разрушается. Относительная способность различных анионов прони¬ кать через пленку убывает в следующем порядке: Cl- > Вг- > I- > F- > SO2- > NOf > РО3-. Активация алюминиевого анода хло¬ рид-ионами объясняется также сильным замедлением процесса образования ок¬ сидной пленки, связанным с адсорбци¬ онным вытеснением кислорода. Повышение концентрации сульфатов по отношению к постоянной концентра¬ ции хлоридов приводит к полному уг¬ нетению активирующего действия хло¬ рид-ионов на оксидную пленку. Рост температуры воды препятствует образованию осадков на электродах, увеличивает скорость растворения ок¬ сидной пленки, уменьшает ее толщину и защитные свойства. Пленка становит¬ ся рыхлой и легко удаляется с поверх¬ ности алюминия. Особенно усиливается разрушение оксидной пленки в присут¬ ствии хлорид-ионов, сорбция которых на алюминии с повышением температуры возрастает. Растворение 1 г металлического алю¬ миния эквивалентно введению в воду 12,3 г Al2 (S04)3 • 18Н20, растворение 1 г металлического железа — введению 4,8 г FeCl3 • 6Н20 или 4,9 г FeS04 X X 7Н20. Большинство устройств для очистки воды электрокоагуляцией представляют собой безнапорные пластинчатые элект¬ ролизеры горизонтального или верти¬ кального типа. Пластины металла рас¬ полагаются вертикально на расстоянии 3—20 мм одна от другой и удерживаются изолирующими вставками, электриче¬ ский ток подводится к каждой пластине (рис. 4.12). С целью упрощения монтажа электро¬ коагуляторов и уменьшения потребляе¬ мой силы тока применяют биполярное подключение электродов, т. е. подвод тока не к каждой пластине, а через не¬ сколько пластин. Промежуточные плас¬ тины растворяются вследствие поляри¬ зации в возникающем электрическом поле (рис. 4.13). Пластинчатые электролизеры в зави¬ симости от расположения электродов и направляющих перегородок могут ра¬ ботать как многопоточные и как однопо¬ точные (рис. 4.14). При многопоточной схеме движения вода проходит одновре¬ менно через все промежутки между Рис. 4.14. Многопо¬ точная (а) и однопо¬ точная (б) схемы дви¬ жения воды в элект¬ рокоагуляторе: / — поступление ис¬ ходной воды; 2 — анод; 3 — катод; 4 — выход обработанной воды; 5 — винипла- стовые перегородки. К 77
Рис. 4.15. Устрой¬ ство для очистки воды: ! — корпус; 2 — вращающийся вал; 3 — электроды; 4 — шина; 5 — па¬ трубок; 6 — пере¬ городка. Рис. 4.16. Реактор-элект- рокоагулятор для обра¬ ботки воды: / — корпус; 2 — эжек* торная система; 3 — ци¬ линдрические электроды; 4 — опоры; 5 — трубы для отвода воды; 6 — па¬ трубок для опорожнения аппарата; 7 — трубопро¬ вод для подачи воздуха; 8 — корпус для отвода газов; 9 — трубопровод для подачи воды; Ю — трубопровод для подачи реагентов; // — трубо¬ провод для отвода газов электродами (параллельное соединение каналов). Этот тип электролизера кон¬ структивно наиболее прост, но скорость движения воды в нем мала. Для борьбы с пассивацией электродов некоторые ис¬ следователи рекомендуют применять однопоточную схему, при которой вода проходит по лабиринту, образуемому электродами (последовательное соедине¬ ние каналов). При этом скорость движе¬ ния воды относительно электродов в п — — 1 раз больше, чем при многопоточной схеме (п — число электродных пластин). Кроме того, есть ряд конструкций электролизеров, в которых предусмотре¬ на механическая, пневмо-гидравличе- ская или эрозионная (абразивным мате¬ риалом) очистка электродов от обра¬ зующихся на них в процессе работы осад¬ ков. Так, для очистки воды от взвешен¬ ных и растворенных примесей с целью увеличения эффективности очистки во¬ ды электроды укрепляют на вращающем¬ ся валу, установленном в корпусе (рис. 4.15). Засорение межэлектродного пространства в устройстве предотвраща¬ ется расположенной внутри корпуса гре¬ бенкой, между зубцами которой размеще¬ ны электроды. Для осветления, обесцвечивания и умягчения питьевых и технических вод разработан реактор-электрокоагулятор (рис. 4.16). Вода через трубу подается в эжектор и циркулирует в пространстве между электродами, охватывающими эжектор. Обработанная вода выходит из аппарата по трубе, установленной тангенциально к его корпусу. Особен¬ ности конструкции электролизера поз¬ воляют уменьшить поляризацию элект¬ родов, снизить расходы электроэнергии, улучшить гидравлические и физико-хи¬ мические условия формирования хлопь¬ ев коагулянта и осуществить очистку периодической подачей воздуха. Использование в качестве электродов листового металла затрудняет широкое применение метода электрокоагуляции. Замена листового металла отходами в виде стружек, обрезков достигается при использовании электролизеров с засып¬ ными электродами (рис. 4.17). Такой электролизер состоит из ячеек, отделен¬ ных одна от другой сепараторами. Каж¬ дую ячейку заполняют металлическими опилками. Ток подводят либо только к крайним электродам, либо к каждой ячейке. Предусмотрены специальные S1L о I it Рис. 4.17. Электролизер с засыпными электродами: / — подвод и отвод воды; 2 — ванна электролизера; 3 — неэлектропроводные торцевые пластины; 4 — винты для уплотнения засыпки; 5 — засыпка из ме¬ таллических опилок; 6 — диафрагмы; 7 — токопод- воды; 8 — циркуляционный насос. 78
приспособления для уплотнения засы¬ пки и смены полярности тока. При эксп¬ луатации электрокоагулятора сепаратор забивают гидроксидом металла, в связи с чем значительно увеличивается гид¬ равлическое сопротивление ячеек. Исследования, проведенные в электро¬ лизерах с использованием в качестве анода алюминиевых или железных стру¬ жек (рис. 4.18), дали хорошие результа¬ ты только при кратковременной работе и оказались непригодными для длительной эксплуатации из-за несовершенства их конструкции, пассивации анода и дру¬ гих недостатков. Исследования по созданию электроли¬ зеров с использованием в качестве анода отходов металлов (стружек) и выясне¬ нию условий прохождения в них тока ведутся в АКХ. Одной из разновидностей электроли¬ зеров с засыпными электродами являет¬ ся электрофильтр для очистки сточ¬ ных вод предприятий мясо-молочной промышленности, разработанный в НИКТИ ГХ МЖКХ УССР. Он представ¬ ляет собой прямоугольную раму, на которой укреплена катодная стальная сетка с ячейками 5x5 или 2,5 X 2,5 мм и анодный блок, засыпанный стальной стружкой. Для подвода тока к раство¬ ряющейся стружке используется свар¬ ная решетка из прутьев диаметром 14 мм и расстоянием между ними 20 мм. За¬ сыпной электрод с двух сторон ограни¬ чен капроновой сеткой с ячейками 2 X X 2 мм. Расстояние между засыпным анодом и сетчатым катодом составляет 20 мм, анодная плотность тока — 2 мА/см2. Электрофильтр устанавливают перед камерой флотации поперек потока, и сточная вода, фильтруясь через него, насыщается ионами Fe2+ и пузырька¬ ми Н2. Однако электролизеры с засыпными электродами имеют существенные не¬ достатки: пассивация анодов и снижение выхода металла по току; накопление между стружками гидроксидов металлов с адсорбированными загрязнениями, что приводит к их слипанию и цементации; увеличение напряжения тока и расхода электроэнергии из-за возрастания со¬ противления ячеек и необходимость спе¬ циальной обработки материала стружек Рис. 4.18. Схема электрокоагулятора (а) с комбини¬ рованным анодом (б): / — корпус электрокоагулятора; 2 — катоды; 3 — комбинированные аноды; 4 — токоподводящая кон¬ тактная пластина; 5 — анод из отходов металлов; 6 — диэлектрический перфорированный материал. с целью удаления с их поверхности ма¬ сел и других веществ. Метод электрокоагуляции обеспечива¬ ет высокий эффект удаления из воды загрязнений в виде взвесей минерально¬ го, органического и биологического про¬ исхождения, коллоидов (соединений же¬ леза, веществ, обусловливающих цвет¬ ность воды и т. д.), а также отдельных веществ, находящихся в молекулярном и ионном состояниях. Существенным преимуществом электрокоагуляции пе¬ ред реагентными методами очистки воды является возможность отказа от строи¬ тельства громоздких очистных сооруже¬ ний. Эксплуатацию установок можно значительно упростить, поскольку элект¬ рохимические процессы легко поддаются механизации, управлению и автоматиза¬ ции. Электрокоагуляция позволяет осу¬ ществлять процесс очистки воды в ком¬ пактных, автоматически действующих и легко обслуживаемых установках и особенно удобна для небольших авто¬ номных объектов (на судах речного фло¬ та, в сельском хозяйстве, для малых поселков и т. д.). Современное развитие теплоэнергети¬ ки, радиоэлектроники, целлюлозно- бумажного, текстильного и других производств предъявляет повышенные требования к качеству воды, особенно к содержанию в ней соединений кремния, железа, кислорода, органических и дру- гих веществ. Однако еще нет достаточно простых и высокоэффективных методов предварительной подготовки воды. Вы¬ сокая сорбционная способность получае¬ мого электрохимически А1 (ОН)3 по от¬ ношению к загрязнениям воды и другие преимущества метода электрокоагуляции позволяют использовать его для очистки технических, питьевых и сточных вод. 79
Глава 5 СМЕШЕНИЕ РЕАГЕНТОВ С ВОДОЙ 5.1. Технология смешения реагентов с водой Реагенты в воду подают так, чтобы ее очистка заканчивалась в существующем комплексе оборудования. Ввиду этого реагенты, как правило, вводят в начале технологических сооружений и быстро перемешивают со всей массой обрабаты¬ ваемой воды. Смешение производят в со¬ оружениях, называемых смесителями. С целью исключения повторного бактери¬ ального загрязнения, защиты трубопро¬ водов от коррозии, введения в воду недостающих ионов и т. д. можно пода¬ вать реагенты и в другие точки техноло¬ гической схемы. Например, в воду перед резервуарами чистой воды вводят хлор¬ ную и известковую воду, соединения фтора, озоно-воздушную смесь и другие вещества. Реагенты в обрабатываемую воду можно подавать непосредственно перед входом в осветлители со слоем взвешенной контактной среды, в контакт¬ ные осветлители и фильтры. Смесители предназначены для быстро¬ го и равномерного смешения реагентов со всей массой обрабатываемой воды. Предусмотрена также возможность по¬ следовательного введения реагентов в во¬ ду с соблюдением необходимых интерва¬ лов времени между их подачей. Смеши¬ вают реагенты с водой в течение 1—2 мин при мокром и не более 3 мин при сухом дозировании реагентов. По принципу действия различают два основных типа смесителей: 1) гидрав¬ лические, в которых турбулентный поток создается сужениями или дырчатыми перегородками (шайбовые, вихревые, пе¬ регородчатые, дырчатые смесители, вставки Вентури и др.); 2) механические, в которых турбулизация потока создает¬ ся мешалками различных типов, приво¬ димыми в действие внешними источни¬ ками энергии, а также смешение в цент¬ робежном насосе, в смесителях с пропел¬ лерными и лопастными мешалками. При выборе типа смесителя необходи¬ мо учитывать конструктивные особен¬ ности, компоновку технологических со¬ оружений станции, ее производитель¬ ность и метод обработки воды. В смесителях гидравлического типа, рекомендуемых для обработки воды в СССР, турбулизация потока создается трехкратным местным увеличением ско¬ рости потока обрабатываемой воды с 0,4—0,6 до 1 м/с. В механических смесителях, чаще всего применяемых за рубежом, турбулизация потока созда¬ ется вращением лопастей или пропел¬ леров мешалки электродвигателем. Сме¬ сители гидравлического типа конструк¬ тивно просты и удобны в эксплуатации, однако при расходах воды, меньших чем расчетные, они не обеспечивают удовлет¬ ворительного смешения ее с реагентами. Механические смесители являются эф¬ фективными сооружениями смешения ре¬ агентов с водой, но их применение свя¬ зано с повышенными затратами электро¬ энергии, что сказывается на технико¬ экономических показателях работы во¬ доочистной станции. Из гидравлических смесителей безнапорного типа наиболее распространены дырчатые, перегород¬ чатые, вертикальные (вихревые), кори¬ дорные и др. В них предусмотрено уст¬ ройство переливов и трубопроводов для выпуска воды и осадка в канализацию. Резервных смесителей не предусматрива¬ ют, а устраивают обводные линии в обход смесителей. 5.2. Дырчатые смесители Дырчатый смеситель (рис. 5.1, а), ши¬ роко применяющийся на станциях обра¬ ботки воды производительностью до 20— 24 тыс. м3/сут, представляет собой же¬ лезобетонный лоток с тремя вертикаль¬ ными перегородками. Перегородки уста¬ новлены перпендикулярно к движению воды и снабжены расположенными в не¬ сколько рядов отверстиями. Вытекаю¬ щие из отверстий струи воды создают большое количество мелких завихре¬ ний в лотке смесителя, что способству¬ ет эффективному смешению вводимых реагентов с обрабатываемой водой. Чтобы исключить возможность насы¬ щения воды пузырьками воздуха, пре¬ дусматривают затопление верхних ря¬ дов отверстий в перегородках на глу¬ бину 10—15 см. Скорость движения 80
Рис. 5.1. Схе¬ мы устройства дырчатого («) и перегородча¬ того (б) смеси¬ телей. еЩ: е Перелидной карман воды в отверстиях перегородок принима¬ ют равной 1 м/с. Расчет дырчатых смесителей проводят в таком порядке. Число вертикальных дырчатых перегородок принимают обыч¬ но равным 3. Диаметр отверстий в пере¬ городках задают в пределах 20—40 мм для станций небольшой производитель¬ ности, 100 мм — для станций произво¬ дительностью 24 тыс. м3/сут. Задавая диаметр отверстий в'каждой перегород¬ ке, их количество п определяют по фор¬ муле 4q где q — расчетный расход воды, поступа¬ ющей в смеситель, м3/с; v0 — скорость движения воды в отверстиях (принимают равной 1 м/с); d — диаметр отверстий, м. Суммарная площадь отверстий в каж¬ дой перегородке не должна превышать 30 % ее рабочей площади. Потерю напора h при прохождении во¬ ды через отверстия перегородки опреде¬ ляют по формуле о2 h = 2gfx2 где g — ускорение свободного падения (равняется 9,81 м/с2); и — коэффициент расхода, зависящий от отношения диа¬ метра отверстия d к толщине перегород¬ ки 6, принимается равным 0,65—0,75 (fi = 0,65 при d/8 = 2 и 0,75 при d/8 = = 1). Ширину лотка дырчатого смесителя определяют по скорости движения в нем воды, которую принимают vn = 0,6 м/с. Найдя потерю напора в перегородке и задав глубину Н в конце смесителя (обычно в пределах 0,4—0,5 м), определя¬ ют уровень воды в начале смесителя. На отметку уровня воды в начале сме¬ сителя должна быть подведена вода на¬ сосами станции первого подъема. Как показывают результаты исследо¬ вания дырчатых смесителей на водопро¬ водных станциях, при снижении расхода воды в них наблюдается неравномерность смешения с реагентами по высоте камеры. 5.3. Перегородчатые и коридорные смесители Перегородчатый смеситель (см. рис. 5.1, б) с разделением потока по ширине лотка имеет три перегородки: в первой и треть¬ ей проходы расположены в центре, а в средней — два боковых прохода у сте¬ нок лотка. Поток воды через такие про¬ ходы в перегородках вызывает измене¬ ние направления ее движения в пределах лотка, а повышенные скорости в сужен¬ ных местах проходов создают завихре¬ ния, способствующие наиболее равно¬ мерному и полному смешению вводимого реагента с обрабатываемой водой. Для устранения засасывания в воду воздуха верхние кромки проходов должны обяза¬ тельно быть затопленными на 10—15 см. Расстояние между перегородками рав¬ но двойной ширине лотка. Скорость движения воды в нем принимают равной не'менее 0,6 м/с, а в проходах — 1 м/с. Потеря напора в каждом проходе при этом составляет 0,15 м. Мод реагента В канализаиию 81
Расчет перегородчатого смесителя про¬ изводят по формуле q = bl(H + 2К — Л3) цп = = 2Ьг (Н + h' — Л,) vn — Ь3(Н — h3) v„, где <7 — расход воды, проходящей через очистные сооружения, м3/с; Ь1, Ь2, Ь3 — ширина проходов в перегородках, м; ап — скорость движения воды в прохо¬ дах, м/с; h' — потеря напора в каждом проходе, м; h3 — заглубление проходов в перегородках, м; Н — уровень воды в лотке смесителя за перегородками (принимают равным 0,4—0,6 м). Для станций производительностью бо¬ лее 300 тыс. м3/сут разрешается приме¬ нять коридорные смесители типа сме¬ сителей Мосводопровода. Смешение реа¬ гентов с водой происходит вследствие частых поворотов потока, обусловлен¬ ных расположением направляющих пе¬ регородок. Расстояние между перегород¬ ками должно быть не менее 0,7 м, ско¬ рость движения воды в коридорах vK при длительности пребывания ее в сме¬ сителе 2 мин принимается равной 0,6 м/с, при длительности пребывания 1,5 мин — 0,9 м/с. Потерю напора hQ на одном пово¬ роте смесителя определяют по формуле hc = 0,15 v£s, где s — число поворотов потока воды (обычно равно 9—10). 5.4. Вихревые смесители На станциях, где воду обрабатывают известковым и угольным молоком, каус¬ тическим магнезитом, применять перего¬ родчатые и дырчатые смесители не ре¬ комендуется, поскольку скорости потока в них не обеспечивают поддержания во взвешенном состоянии частичек извести, которые могут осаждаться перед перего¬ родками. В этом случае более пригодны вихревые (вертикальные) смесители. В по¬ следние годы такие смесители получили наибольшее распространение. Вихревой смеситель (рис. 5.2) пред¬ ставляет собой круглый или квадратный (в плане) резервуар с конической или пирамидальной нижней частью. Цент¬ ральный угол между наклонными стен¬ ками должен составлять 30—45°. Вода в вихревом смесителе перемешивается за счет изменения скорости восходя¬ щего потока воды при переходе от узкой (нижней) к широкой (верхней) части смесителя. Реагенты вводят в нижнюю часть сме¬ сителя. Собирают воду в верхней части смесителя в переливной периферийный желоб, в затопленную воронку или в дырчатые трубы. Движение частичек растворяемого ве¬ щества во взвешенном состоянии в тур¬ булентном восходящем потоке воды обес- Рис. 5.2. Схема вихревого смесителя: / — сборные дырчатые трубы; 2 — кор¬ пус смесителя; 3 — подача реагентов; 4 — трубопровод для опорожнения. Рис. 5.3. Вихревой смеситель, обеспе¬ чивающий отделение воздуха от воды: / — подвод воды; 2 — подвод реаген¬ тов; 3 — бетонный корпус; 4 — коль¬ цевой желоб; 5 — затопленные отверс¬ тия; 6 — сетка; 7 — отвод воды; 8 — перелив; 9 — трубопровод для опорож¬ нения. %
печивает относительно полное их рас¬ творение. Наиболее крупные частички находятся в нижней зоне повышенных скоростей потока. Вихревые смесители проектируются на длительность пребывания в них воды в течение 1,5—2 мин, а при реагентном умягчении — до 3 мин. Систему сборных отводящих труб или желобов рассчиты¬ вают по скорости движения воды в них, равной 0,6 м/с. Скорость выхода воды из подводящего трубопровода принима¬ ют равной 1,2—1,5 м/с, скорость восходя¬ щего потока воды на уровне водосборно¬ го устройства смесителей — 30—40 мм/с. Применяют вихревые смесители на станциях большой и средней произво¬ дительности при условии, что нагрузка на один смеситель не превышает 1200—- 1500 м3/ч. При проектировании станций обработ¬ ки воды с применением осветлителей со взвешенным осадком вертикальные сме¬ сители следует приспосабливать для воз- духоотделения (рис. 5.3). При этом высо¬ ту вертикальных стенок вихревого сме¬ сителя принимают равной не менее 1— 1,5 м; смешанную с реагентом воду отби¬ рают через отверстия, затопленные в во¬ ду на глубину 0,6—0,9 м. Для защиты отверстий распределительных трубопро¬ водов осветлителей от забивания круп¬ ной коагулированной взвесью воду при выходе из смесителя процеживают че¬ рез сетки с диаметром ячеек 5—7 мм. 5.5. Смешение реагентов в трубопроводе В качестве простейшего смесителя может быть использован напорный трубопро¬ вод, подающий воду от насосной станции первого подъема на очистную станцию. При подаче реагентов в напорный трубо¬ провод необходимо соблюдать следую- Рис. 5.4. Схе¬ ма ввода ре¬ агента в на¬ порный трубо¬ провод через эжектор (а) и во всасываю¬ щую грубу на¬ соса (0): / — раствор коагулянта; 2 — дозировоч¬ ный бак; 3 — воронка; 4 — эжектор; 5 — бачок постоян¬ ного уровня. щие условия: 1) приемную воронку в месте ввода раствора реагентов следует располагать выше линии пьезометриче¬ ского давления воды в трубе; 2) между местом ввода и концом трубы не должно быть задвижек, применяемых для ре¬ гулирования количества поступающей на очистные сооружения воды; 3) длина участка, на котором происходит смеше¬ ние, должна быть не меньше 50 диаметров трубопровода. Турбулентность потока создается при скорости движения воды в трубопроводе 1,0—1,5 м/с. Для лучшего смешения раствора реагентов с обрабатываемой водой и сокращения длины участка сме¬ шения рекомендуется устраивать суже¬ ния в напорном трубопроводе в виде трубы Вентури или диафрагмы (шайбы). Эти сужения позволяют несколько сни¬ зить пьезометрическое давление в месте ввода раствора реагентов в трубопровод и, следовательно, уменьшить высоту рас¬ положения дозатора. Такие дроссель¬ ные устройства обеспечивают появление вихревых потоков в обрабатываемой во¬ де, что благоприятствует смешению ее с реагентами. Потеря напора в них не должна превышать 0,3—0,4 м. Труба, подводящая раствор реагента в напор¬ ный трубопровод, должна доходить до его середины, а ее конец следует срезать под углом 45°. Трубу изготовляют из пластмассы или стекла и укрепляют в напорном трубопроводе сальником. В тех случаях, когда высотное расположе¬ ние напорного трубопровода и дозиро¬ вочных устройств не обеспечивает по¬ дачи раствора реагента в водовод самоте¬ ком, можно применять установку с эжек¬ тором (рис. 5.4). Разрежение (вакуум) В в эжекторе определяют по формуле Я/? й = —Я, 12 На очистные сооружения 83
где Н — напор воды, подаваемой к эжектору, Па; fx — площадь сечения от¬ водящей трубы, м2; /2 — площадь су¬ женного сечения трубы, м2. Расход воды, подводимой к эжектору <?„ вычисляют по формуле где qb — подача эжектора, м3/ч; h — вы¬ сота подачи воды эжектором, м; т) — к. п. д. эжектора, принимаемый равным 0,10—1,15. 5.6. Механические смесители В случае, когда по условиям высотного расположения отдельных сооружений водоочистной станции нельзя обеспечить перепад отметок, требуемый для смеси¬ телей гидравлического типа, можно уст¬ раивать смесители с механическим пере¬ мешиванием жидкости. Принцип действия механических сме¬ сителей состоит в механическом переме¬ шивании обрабатываемой воды с реаген¬ тами. Применение их особенно удобно при введении нескольких реагентов. 84 На рис. 5.5 показаны три типа смеси¬ телей с пропеллерными мешалками, на¬ саженными на вертикальные оси. Прин¬ цип их работы основан на поступатель¬ ном движении воды, сообщаемом ей пропеллером типа пароходного винта. Продолжительность пребывания воды в механических смесителях с пропеллер¬ ными мешалками должна составлять 10—13, а с лопастными мешалками и вертикальной осью вращения — 30— 60 с. В смеситель вода вместе с реагентами поступает снизу и выходит из него свер¬ ху, или наоборот. Иногда для более на¬ дежного перемешивания устанавливают последовательно два механических сме¬ сителя. Расчет механических смесителей про¬ пеллерного типа конструкции институ¬ та Гипроспецнефть (см. рис. 5.5, в) сводится к определению объема камеры, мощности и диаметра мешалки. Объем камеры смесителя принимается равным объему воды, поступающей на очистку за 1—2 мин. При этом коли¬ чество просасываемой пропеллером воды Qu равно где W — объем раствора, м3; п — число оборотов воды в смесителе за 1 мин (обыч¬ но принимают равным 5—10). Диаметр мешалки находят, принимая скорость воды через пропеллер равной 1,5—2 м/с. Эта скорость связана с пло¬ щадью, ометаемой пропеллером, зависи- Рис. 5.5. Механические смесители: / — подвод воды; 2 — подвод реагента; 3 — отвод воды.
мостью Qn F Qn 0,94 л £>2 Число оборотов пропеллера мешалки пи находят по формуле п - 27-2^ м D tg <р cos2 ср ’ где ф — угол наклона лопасти винта (обычно принимают равным 22°). Мощность оси пропеллера N0 опреде¬ ляют по выражению 9,81 QH N. где г)0 — к. п. д. оси пропеллера, рав¬ ный 0,70—0,80. Мощность мотора Nw будет равна Tin где iin — к. п. д. передачи от мотора к мешалке в зависимости от типа передачи (принимают равным 0,60—0,95). Напор, развиваемый пропеллером, должен обеспечить достижение требуе¬ мой скорости в смесителе и преодолеть потери напора в местных сопротивлени¬ ях. Этот напор Н определяют по формуле Я = — (h Пг I + • 2е где т)г — гидравлическии к. п. д. про¬ пеллера, равный 0,8—0,9; h = 0,2 м. 5.7. Эксплуатация смесителей При эксплуатации смесителей незави¬ симо от их типа и конструкции необхо¬ димо предусматривать переливные тру¬ бы, трубы для опорожнения смесителя и выпуска осадка. Вода в смесителях не должна насы¬ щаться пузырьками воздуха. Поэтому на подводящих трубопроводах следует предусматривать задвижки, позволяю¬ щие регулировать уровень воды в сме¬ сителях, исключая перепады. Дырчатые, перегородчатые, коридор¬ ные и вихревые смесители должны иметь не менее двух камер с длительностью пребывания воды в них не более 2 мин, причем предусматривается возможность съема перегородок в дырчатом и перего¬ родчатом смесителях. Периодически ка¬ меры смесителей следует очищать от осадка, определять равномерность сме¬ шения реагентов с обрабатываемой во¬ дой, скорость ее потока на отдельных участках и длительность пребывания в камере смесителя. Попадание песка и других загрязнений из смесителей в распределительные си¬ стемы камер хлопьеобразования и кон¬ тактных осветлителей ухудшает работу последних. Для предупреждения такого выноса загрязнений смесители необхо¬ димо периодически очищать частичным спуском из них воды в канализацию. В нижней части смесителей для этого должны быть предусмотрены трубо¬ проводы с задвижками. Очистку смеси¬ телей следует производить по установ¬ ленному на каждой водопроводной стан¬ ции плану на основе опыта эксплуата¬ ции, но не реже одного раза в год. Сборные трубы и окна в приемных же¬ лобах вихревых смесителей должны быть затоплены и находиться ниже уровня во¬ ды на глубине, не допускающей подсоса воздуха. Периодически по результатам измере¬ ния щелочности воды в различных участ¬ ках смесителя и на разных уровнях не¬ обходимо проверять равномерность сме¬ шения реагентов с обрабатываемой водой. Проверке подлежат также дли¬ тельность ее пребывания в камере смеси¬ теля и скорость потока на отдельных участках. Работа смесителей обязательно долж¬ на контролироваться в случаях, когда резко изменяется технологический ре¬ жим работы водоочистной станции. Глава 6 КАМЕРЫ ХЛОПЬЕОБРАЗОВАНИЯ 6.1. Хлопьеобразование Укрупнение коллоидных частичек, об¬ разующихся в процессе гидролиза коа¬ гулянтов, происходит постепенно в те¬ чение длительного времени. Появлению видимых хлопьев предшествует образо¬ вание непрочных рыхлых сеток (так на¬ зываемая стадия скрытой коагуля¬ ции). Последние затем разрываются на 85
отдельные хлопья, оседающие под дей¬ ствием силы гравитации. Поскольку частички Fe (ОН)3 и А1 (ОН)3 не сферичны (например, час¬ тички Fe (ОН)3 дискообразны), не исклю¬ чена возможность возникновения струк¬ тур в этих золях именно за счет симмет¬ ричной формы частичек, приводящей к появлению структурной вязкости. Структура, образующаяся при коагу¬ ляции золя Fe (ОН)3, прочнее, чем струк¬ тура золя А1 (ОН)3. На структурообразование влияет так¬ же солевой состав воды. Увеличение кон¬ центрации хлоридов и гидрокарбонатов повышает устойчивость возникающих структур, а повышение содержания суль¬ фатов понижает ее. Поэтому в первом случае образуются крупные рыхлые хлопья, во втором — мелкие. Процесс коагуляции характеризуется несколькими стадиями. В момент сме¬ шения раствора коагулянта с водой ника¬ кие изменения не происходят. Спустя некоторое время появляется опалесце¬ нция 1 и вода мутнеет от образования ог¬ ромного количества мельчайших хлопь¬ ев — до 5000 в 1 мл (начало хлопьеоб¬ разования). Образовавшиеся хлопья укрупняются, а их число в единице объема уменьша¬ ется. Когда оно достигнет 5—10 в 1 мл (конец хлопьеобразования), начинается заметное осаждение хлопьев. Для интенсивного осветления и обес¬ цвечивания воды обычно стремятся полу¬ чать легкооседающие крупные хлопья с сильно развитой поверхностью. Одно¬ временно стараются сократить время формирования хлопьев. Механизм про¬ цесса хлопьеобразования определяется вероятностью столкновения коллоидных частичек, что зависит от их концентра¬ ции, подвижности, упорядоченности движения, а также от сцепления. Эффективность хлопьеобразования за¬ висит от дозы вводимых реагентов, тем¬ пературы воды, перемешивания и других факторов (см. п. 4.4). Установлено, что в интервале темпера¬ тур 3—18 °С при перемешивании время хлопьеобразования составляет 2—7 % 1 Опалесценция — явление рассеивания све¬ та мельчайшими частичками, находящимися в воде. времени, необходимого для достижения того же эффекта без перемешивания, и хлопья получаются более прочные. Для предотвращения разрушения хлопь¬ ев их необходимо поддерживать во взве¬ шенном состоянии при слабом перемеши¬ вании. Известно, что перемешивание влияет на хлопьеобразование только в том случае, когда размеры частичек золя достигли некоторого предела. На мелкие частички, а тем более на первич¬ ные, оно не влияет. Эксплуатационные данные свиде¬ тельствуют о том, что в мутных водах образование хлопьев происходит быст¬ рее и лучше, чем в прозрачных. Муть с диаметром частичек меньше 3 мкм (наиболее тонкий ил) резко улучшает процесс коагуляции. Аналогичное дей¬ ствие оказывает контактирование воды с массой хлопьев. Поэтому иногда для ускорения процесса в камеры хлопье¬ образования специально вводят суспен¬ зию глины или осадка из отстойников. Потеря устойчивости золей А1 (ОН)3 или Fe (ОН)3 объясняется тем, что вво¬ димые осадки поглощают из адсорбцион¬ ного слоя мицеллы ионы, придающие коллоидным частичкам устойчивость. Кроме того, осадки, вводимые в качестве затравок, являются своеобразными цент¬ рами агрегации. Большую роль в этом процессе играет ортокинетическая коа¬ гуляция. Исследования показывают, что про¬ цесс флокуляции при использовании АК ускоряется от полутора до нескольких десятков раз, по сравнению с флокуля- цией при очистке воды только сульфатом алюминия. Особенно эффективно применение АК при обработке коагулянтом природных вод в холодный период года, который ха¬ рактеризуется вялой коагуляцией, об¬ разованием мелких и рыхлых хлопьев. На рис. 6.1 приведены интегральные кривые осветления днепровской воды при 3 °С обработкой ее 100 мг/л сульфата алюминия (кривая 1) и разными дозами АК (кривые 2—5). Кривая 1 фактически состоит из двух прямолинейных участ¬ ков с разными углами наклона к оси абсцисс. В первый час осаждения флоку- ляция и седиментация практически от¬ сутствуют, и только в течение следующе¬ го часа осаждается около 40 % взвеси. 86
Доза АК, составляющая 2 % дозы Al2 (S04)3, придает графику характерный вид кривой осаждения. Увеличение дозы АК интенсифицирует флокуляцию и осаждение и тем самым повышает эффект осветления Эосв. Кривые становятся выпуклыми в сторону оси ординат, что свидетельствует о возрастании круп¬ ности образующихся хлопьев. Хлопьеобразование на очистных стан¬ циях с отстойниками осуществляется в специальных камерах. Камеры хлопьеобразования станций реагентного осветления и обесцвечива¬ ния воды предназначены для проведения в них физико-химических процессов, обусловливающих образование крупных, прочных, быстро оседающих хлопьев гидроксидов металлов с извлекаемыми из воды примесями. Целесообразность установки камер хлопьеобразования в соответствии с ре¬ комендациями СНиП зависит от типа сооружений, используемых для освет¬ ления воды. Если в схеме очистных со¬ оружений предусмотрены отстойники любого типа, то наличие камер хлопье¬ образования обязательно, поскольку успешная работа отстойников при ус¬ ловии коагулирования взвеси возможна лишь после предварительной подготов¬ ки хлопьевидной взвеси в камерах. Если же для осветления воды применяют осветлители, работающие по принципу пропуска осветляемой воды через слой взвешенного осадка, то устройства спе¬ циальных камер хлопьеобразования не требуется, потому что реакция хлопье¬ образования происходит достаточно быстро непосредственно в слое взвешен¬ ной контактной среды осветлителя. Оптимальные условия хлопьеобра¬ зования создаются в камерах при обес¬ печении определенного характера, про¬ должительности и интенсивности переме¬ шивания воды, поступившей в камеру из смесителя, где в воду был добавлен рас¬ твор коагулянта. Перемешивание в камерах хлопьеоб- раэования не должно быть слишком интенсивным, особенно в конце этих со¬ оружений, чтобы избежать разрушения образовавшихся агрегатов. Характер пе¬ ремешивания воды обеспечивается кон¬ структивным оформлением камеры. Оп¬ тимальная длительность перемешивания Время осветления, мин Рис. 6.1. Кинетические кривые осаждения скоагули- рованной взвеси при соотношении доз АК и коагу¬ лянта Д\К/Дк, %: / — 0; 2 — 2; 3 — 5; 4—10; 5 — 20; = ЛЯ ' А1 /Члп . лл = ^ 100 (М и Мосв — соответственно М мутность воды до и после осветления). воды достигается за счет определенно- го объема камеры, а необходимая интен¬ сивность перемешивания — за счет изме¬ нения скорости движения воды или ско¬ рости движения лопастей мешалок в ме¬ ханических камерах хлопьеобразова¬ ния. При последующем осветлении воды в отстойниках для устранения разруше¬ ния хлопьев в коммуникациях камеры хлопьеобразования рекомендуется из¬ готовлять примыкающими или встроен¬ ными в отстойники и составляющими с ними одно сооружение. В отдельно стоящих или примыкающих камерах хлопьеобразования, согласно СНиП, ско¬ рость движения воды в отводящих тру¬ бопроводах или каналах не должна превышать 0,1 м/с для мутных вод и 0,05 м/с для цветных. Для наблюде¬ ния за протеканием процесса формирова¬ ния хлопьев над камерами целесообраз¬ но устраивать павильоны шириной до 6 м. В камерах хлопьеобразования ре¬ комендуется применять гидравлическое перемешивание и лишь иногда, когда по местным условиям это окажется нераци¬ ональным, допускается механическое пе¬ ремешивание. В зависимости от типа и конструктивного решения камер хлопье¬ образования длительность пребывания в них обрабатываемой воды колеблется от 6 до 30 мин. Получили распространение несколько типов камер хлопьеобразования, отли¬ чающихся способом перемешивания во¬ ды, режимом формирования хлопьев и предназначенных для различных систем 87,
отстойников. При осветлении воды в вер¬ тикальных отстойниках камеры хлопье¬ образования водоворотного типа рас¬ полагают в центральной трубе. В слу¬ чае применения горизонтальных отстой¬ ников используют перегородчатые каме¬ ры хлопьеобразования с горизонталь¬ ным или вертикальным движением пото¬ ка воды, а также сопряженные или встро¬ енные вертикальные (вихревые) камеры хлопьеобразования со слоем взвешенной контактной среды. 6.2. Камеры хлопьеобразования водоворотного типа, встроенные в вертикальные отстойники Водоворотные камеры хлопьеобразова¬ ния (рис. 6.2) применяются на отечест¬ венных станциях обработки воды не¬ большой производительности. Они пред¬ ставляют собой цилиндрические метал¬ лические или железобетонные резерву¬ ары, в верхнюю часть которых поступает вода из смесителя по трубопроводу, снабженному на конце соплами-насадка- ми. Вода, выходя из сопел со скоростью 2—3 м/с, движется вдоль стенок камеры, приобретая вращательное (водоворотное) движение. Благодаря возникающему при Рис. 6.2. Вертикальный отстойник с водоворотной камерой хлопьеобразования: / — камера хлопьеобразования; 2 — сопла; 3 — га¬ ситель; 4 — трубопровод для выпуска осадка. этом равномерному перемешиванию со- здаются благоприятные условия для хлопьеобразовани я. Сопла располагают на расстоянии 0,2dK.x от стенки камеры (^к.х — диа¬ метр камеры хлопьеобразования) на глу¬ бине 0,5 м от поверхности воды. Потеря напора h при указанной выше скорости выхода воды из сопла vc составляет 0,06Ис, м. Чтобы погасить вращательное движе¬ ние воды перед поступлением ее в отстой¬ ник, которое мешает отстаиванию взве¬ си, внизу центральной трубы устраива¬ ют специальный гаситель. Он представ¬ ляет собой крестообразно соединенные перегородки, обычно из досок высотой около 0,8 м, поставленных на ребро, с размером ячеек 0,5 х 0,5 м. Объем водоворотной камеры хлопье¬ образования определяется исходя из количества воды, пребывающего в ней в течение 15—20 мин; высота ее должна составлять 3,5—4 м (0,9 высоты зоны осаждения вертикального отстойника). Площадь встроенной в отстойник водо¬ воротной камеры хлопьеобразования FK определяют по формуле 0 F — к 60//Д' ’ где q — расчетный расход воды, м3/ч; t —длительность пребывания воды в ка¬ мере хлопьеобразования, мин; Н —вы¬ сота камеры хлопьеобразования, м; N — расчетное число отстойников на станции. Определив необходимый объем каме¬ ры и зная ее высоту, можно найти диа¬ метр камеры dK=i,i3VTK. Секундный расход воды qc, поступаю¬ щей в камеру, составит _ ?ч 9о И 3600 ’ где q4 — расчетный часовой расход воды на очистной станции, м3/ч. Применяют водоворотные камеры хлопьеобразования обычно на станциях производительностью до 3 тыс. м3/сут. 6.3. Перегородчатые камеры хлопьеобразования Перегородчатые камеры хлопьеобразова¬ ния представляют собой железобетон¬ ные прямоугольные (в плане) резервуа-
Рис. 6.3. Ilepei ородча гая камера хлопьеобразования (с горизонтальной циркуляцией), совмещенная с го¬ ризонтальным отстойником: / — камера хлопьеобразования; 2 — подача воды в камеру; 3 — отстойники; 4 — шиберы для пропу¬ скания воды; 5 — распределительный канал; 6 — об¬ водной канал; 7 — шиберы для выпуска осадка; 8 — канал для отвода осадка; 9 — удаление осадка из отстойника ры с железобетонными или деревянными перегородками (рис. 6.3, 6.4). Вода в перегородчатых камерах хлопьеобра¬ зования перемешивается вследствие мно¬ гократного изменения направления ее движения в них в горизонтальной или вертикальной плоскости. Длительность пребывания мутных вод в перегородча¬ тых камерах составляет 20 мин, цвет¬ ных — 30 мин. Перегородчатые камеры хлопьеобра¬ зования обычно используют в комплексе с горизонтальными отстойниками. В этом случае основную часть отстойников и камеры обсыпают землей, а в месте примыкания их устраивают павильон, в котором размещают шиберы и задвиж¬ ки для управления работой камеры и отстойников. Перегородки делят камеру на последовательно соединенные кори¬ доры. Движение воды вдоль коридоров с оп¬ ределенной скоростью и периодические повороты потока у горизонтальных или вертикальных перегородок создают бла¬ гоприятные условия для хлопьеобразо¬ вания. Перпендикулярно коридорам устраи¬ вается обводной канал для пропуска воды мимо камеры в период ремонта последней и на время, когда не произво¬ дится коагулирование. В стенке, отде¬ ляющей канал от коридоров, предусмат¬ риваются промежуточные выпуски на тот случай, когда по условиям оптималь¬ ного хлопьеобразования достаточна меньшая длительность пребывания воды в камере. Дно перегородчатых камер хлопье¬ образования делают с уклоном для воз¬ можности смыва осадка, который может выпасть при снижении расхода воды через камеру ниже расчетного. Уклон должен составлять 0,02—0,03; разреша¬ ется строить двухэтажные камеры. Расчет камеры перегородчатого типа сводится к определению объема камеры, размеров ее в плане, числа и ширины ко¬ ридоров и общей потери напора воды в камере. Объем камеры хлопьеобразования WK принимают по количеству пребывающей в ней воды в течение 20—30 мин (нижний Рис. 6.4. Перегородчатая камера хлопьеобразования с вертикальной циркуляцией воды: / — подача воды в камеру; 2 — от¬ вод воды из первой половины каме¬ ры; 3 — отвод воды; 4 удаление осадка. 89
предел принимают при осветлении мут¬ ных вод, верхний — цветных): 60 Среднюю глубину камеры выбирают по конструктивным соображениям ис¬ ходя из высотной схемы очистной стан¬ ции и учитывая местные условия (высо¬ ту грунтовых вод и др.). Обычно среднюю глубину камеры при¬ нимают в пределах 2,0—3,5 м. Задав глубину и определив объем ка¬ меры, находят ее площадь F в плане F = WJH, где Н — высота камеры, м. Далее определяют необходимую шири¬ ну коридоров b между перегородками Q ь = - 3600vKH где vK — скорость движения воды в ко¬ ридорах камеры (принимают равной 0,2—0,3 м/с). Ширина коридоров должна быть не менее 0,7 м, так как при более узких коридорах затруднен проход по ним во время ремонта или очистки камеры, а также при производстве строительных работ. Число коридоров и, следовательно, размеры камеры в плане находят по сооб¬ ражениям оптимальной компоновки с сохранением расчетного объема камеры. Так, если камера хлопьеобразования примыкает к торцам горизонтальных от¬ стойников, то сторона А камеры (см. рис. 6.3) должна быть близкой к общей ширине отстойников. Исходя из этогс Рис. 6.5. Схема от¬ дельно расположен¬ ной вертикальной камеры хлопьеобра¬ зования вихревого типа: / — цилиндрическая надставка; 2 — дыр¬ чатая труба; 3 — от¬ вод воды; 4 — ко¬ нусное днище; 5 — подвод воды. подбирают и число коридоров. Тогда длину В другой стороны камеры можно будет найти по определенной ранее пло¬ щади камеры в плане. Скорость потока воды в коридорах камеры хлопьеобразования должна убы¬ вать со скоростью от 0,2—0,3 в начале до 0,05—0,10 м/с в конце камеры за счет увеличения расстояния между пе¬ регородками. Число поворотов потока в камере принимают равным 8—10. Потери напора h в перегородчатых камерах хлопьеобразования определя¬ ют по формуле h — 0,15у2я, где п — число поворотов потока воды в камере (на единицу меньше числа кори¬ доров). В перегородчатых камерах хлопье¬ образования с вертикальным движением воды часть перегородок не доходит до дна камеры, а часть —до верха, и вода в камере движется попеременно то вниз, то вверх. Конструктивно такие камеры значительно сложнее камер с горизон¬ тальным движением воды. Перегородчатые камеры хлопьеобра¬ зования применяют в очистных сооруже¬ ниях большой производительности —с вертикальной циркуляцией до 45 тыс. м3/сут, с горизонтальной — свыше 45 тыс. м3/сут. 6.4. Вертикальные камеры хлопьеобразования Вертикальные (вихревые) камеры хлопье¬ образования подразделяются на камеры без слоя взвешенного осадка и со взвешен¬ ным осадком. Вертикальные камеры хлопьеобразо¬ вания, впервые предложенные советским ученым Е. Н. Тетеркиным, являются наиболее совершенным типом камер. Основным преимуществом такой камеры является то, что при наличии вихревого движения воды в ней процесс хлопье¬ образования заканчивается в 2—3 раза быстрее, чем в камерах иного типа, что позволяет соответственно уменьшить объем камеры. Применяют вертикальные камеры хлопьеобразования в виде од¬ ного или нескольких отдельных аппара¬ тов (рис. 6.5), совмещенных с горизон¬ тальными отстойниками (рис. 6.6, а) или встроенных в них (рис. 6.6, б). 90
Рис. 6.6. Вертикальные камеры хлопьеобразова¬ ния: а — совмещенные с от¬ стойниками; 6 — встроен¬ ные в отстойник; / — рас¬ пределительная труба; 2 — распределительный канал; 3 — отстойники; 4 — шибер; 5 — камера хлопьеобразования; 6 — задвижки; 7 — сборные желоба; 8 — затопленный водослив; 9 — отбойная стенка. а В вертикальных камерах хлопьеобра¬ зования обрабатываемая вода подводится ко дну камеры, поднимается вверх с уменьшающейся скоростью и отводится затопленной воронкой, системой дырча¬ тых труб или желобами в распредели¬ тельный канал и примыкающие к нему отстойники. При сборе воды желобами целесообразнее предусмотреть поступле¬ ние ее в желоба через затопленные отверстия в стенках желобов, а не через верхние кромки, которые трудно выпол¬ нить строго горизонтальными, особенно при значительной их длине. Вертикальная камера хлопьеобразова¬ ния представляет собой усеченный ко¬ нус или пирамидальный резервуар, об¬ ращенный суженной частью вниз, с ци¬ линдрической или призматической над¬ ставкой над ним. Она может также устра¬ иваться в виде прямоугольного (в плане) резервуара с вертикальными стенками. Угол между наклонными стенками в за¬ висимости от высоты камеры принимают равным 50—70°. Обрабатываемая вода должна вводиться в камеру со скоростью 0,7—1,2 м/с, а скорость восходящего потока на выходе из камеры должна со¬ ставлять 4—5 мм/с, т. е. быть в 140— 175 раз меньше. При движении воды снизу вверх с уменьшающейся скоростью боковые ее слои подсасываются в основной поток, распространяющийся одновременно во все стороны. В результате этого во всей массе воды, находящейся в камере, обра¬ зуется ряд вихрей, способствующих эф¬ фективному перемешиванию, формиро¬ ванию и укрупнению хлопьев. Длительность пребывания воды в вер¬ тикальных камерах хлопьеобразования принимают в пределах 6—12 мин, а при реагентном умягчении воды — 5—6 мин (нижний предел для мутных вод, верх¬ ний — для цветных). Сбор и отвод воды из камеры в отстойники следует произ¬ водить так, чтобы хлопья А1 (ОН)3 и Fe (ОН)3 не разрушались. Для этого скорость движения воды в сборных лотках, трубах и отверстиях не должна превышать 0,10 для мутных и 0,05 м/с для цветных вод. Встроенная в горизонтальный отстой¬ ник камера хлопьеобразования (см. рис. 6.6, б) со взвешенным осадком, впервые исследованная советским уче¬ ным И. М. Мирнисом, имеет вертикаль¬ ные стенки, что значительно упрощает компоновку сооружений. Слой взвешенного осадка должен быть не менее 3 м, длительность пребывания воды в камере —не менее 20 мин. При осветлении воды рекомендуется прини¬ мать такие средние скорости восходяще¬ го потока в верхнем сечении, мм/с: для воды средней мутности (50—250 мг/л) 0,65—1,6, большой мутности (более 250 мг/л) —0,8—2,2. Обрабатываемая вода по площади ка¬ меры распределяется перфорированными каналами или трубами через отверстия, направленные горизонтально или вниз под углом. Скорость движения воды в таких трубах должна составлять 0,5— 0,6 м/с, площадь отверстий в их стен¬ ках — 30—40 % площади сечения самих труб или каналов; диаметр отверстий должен быть не менее 25 мм. Выводят воду из камеры через затопленный во¬ дослив при скорости 0,05 м/с. При проектировании и расчете верти¬ кальной камеры хлопьеобразования, ис¬ ходя из производительности техноло¬ гических сооружений, определяют объем 91
камеры и площадь ее верхней части (ана¬ логично, как и при расчете перегородча¬ тых камер хлопьеобразования), задавая длительность пребывания воды в камере и скорость отбора воды на основе опыта эксплуатации аналогичного оборудова¬ ния. Затем определяют габариты широкой и узкой частей камеры, вычисляют их объемы, суммируют и проверяют факти¬ ческое время пребывания воды в камере. Проектирование и расчет камер хлопье¬ образования с вертикальными стенками упрощается, поскольку они имеют оди¬ наковое сечение по высоте. 6.5. Механические камеры хлопьеобразования В механических камерах хлопьеобразо¬ вания (флокуляторах), применяющихся на мощных станциях обработки воды, когда по условиям их расположения не¬ рационально использовать другие типы камер, перемешивание осуществляется лопастными мешалками с электроприво¬ дом, вращающимися вокруг горизонталь¬ ных или вертикальных осей. Наибольшее распространение получи¬ ли флокуляторы с лопастными мешалка¬ ми, вращающимися вокруг горизон¬ тальных осей (рис. 6.7). Расчетная ско¬ рость движения воды в них принимается в пределах 0,2—0,5 м/с, а длительность пребывания воды — 30—60 мин (до 60 мин — при умягчении воды реагент- ными методами). Эти камеры устраивают в виде прямоугольного железобетонного резервуара с двумя — пятью парами мешалок. Очень часто их совмещают с горизонтальными отстойниками с раз¬ деляющей их вертикальной дырчатой перегородкой. Преимуществом механических камер хлопьеобразования по сравнению с пе¬ регородчатыми являются: меньшая по- Разрез План Рис. 6.7. Схема устройства ло¬ пастной каме¬ ры хлопьеоб¬ разования. теря напора, простота конструкции, воз¬ можность более совершенного регулиро¬ вания процесса хлопьеобразования изменением числа оборотов лопастей, воз¬ можность последовательной работы не¬ скольких камер хлопьеобразования, что весьма важно при применении смеси реагентов. Объем и площадь механических камер хлопьеобразования определяют по фор¬ мулам, применяющимся при расчете пе¬ регородчатых камер. Длина камеры I определяется по зави¬ симости / = а Нп, где а — коэффициент пропорциональ¬ ности (k = 1,0...1,5); h —глубина воды в камере, м; п—число осей с лопастя¬ ми. Ширину камеры b вычисляют по фор¬ муле Скорость горизонтального движения воды в камере иср составляет 1000/ "ср ~ ~ШГ' В зависимости от качества исходной воды и дозы коагулянта скорость вра¬ щения лопастных мешалок принимается в пределах 0,40—0,55 м/с. Опыт применения таких камер на очистной станции Мосводопровода не подтвердил серьезных преимуществ фло- куляторов перед камерами хлопьеобра¬ зования других типов. Они не получили распространения на отечественных водо¬ очистных станциях. Хорошее хлопьеобразование может быть достигнуто при продувании сжатого воздуха через воду в специальной камере реакции. На дно такой камеры уклады¬ вают решетки из перфорированных труб или пористые плиты. Глубину барботажа принимают обычно равной 2,0—3,6 м, максимально допустимый слой воды — 4,5 м, расход воздуха 0,15 м3/м2 площади резервуара. Барботажную камеру реакции снаб¬ жают перфорированными трубами или пористыми плитами, уложенными в бе¬ тонных лотках на дно камеры поперек движения воды; расстояние между осями труб равно 0,9—1,5 м, диаметр отвер¬ 92
стий — 1,8 мм при расстоянии между ними 75—150 мм. Преимущества таких камер реакции заключаются в гибкости регулирования процесса хлопьеобразования, низкой стоимости и простоте установки. Кроме того, в них одновременно с хлопьеоб- разованием происходит и аэрирование воды. К недостаткам следует отнести неравномерность насыщения воздухом нижних и верхних слоев, а также воз¬ можность засорения подводящих воз¬ дух трубопроводов и отверстий в них, что приводит к перераспределению пото¬ ка воздуха в толще воды. 6.6. Эксплуатация камер хлопьеобразования Успешная эксплуатация камер хлопьеоб¬ разования обеспечивается своевремен¬ ным их обследованием и проверкой в различные сезоны года. Обследуют и чистят камеры хлопье¬ образования независимо от накопления в них осадка не реже одного раза в год. При этом следует проверять наличие и количество отложений, состояние пере¬ городок, стен, мест присоединения тру¬ бопроводов, спускных задвижек и дру¬ гого оборудования. Чистку камер произ¬ водят, смывая струей воды осадок со дна, стен и перегородок. Наросты орга¬ нических скоплений удаляют скребками и стены обрабатывают 5 %-м раствором железного купороса. При осмотре ло¬ пастных камер хлопьеобразования осо¬ бенно тщательно проверяют и ремон¬ тируют подводные части лопастных ме¬ шалок, а также проверяют состояние валов, подшипников, сальников и др. В процессе эксплуатации следует по¬ стоянно следить за скоростью движения воды в камерах хлопьеобразования, хо¬ дом гидролиза коагулянта, хлопьеобра¬ зования, эффективностью извлечения из воды примесей и т. д. Одновременно сле¬ дует экспериментально проверять меро¬ приятия по улучшению работы камер: изменение скоростей входа и отвода во¬ ды, устройство направляющих щитов, перестановку перегородок, пуск или ос¬ тановку лопастных мешалок и пр. Це¬ лесообразно по сезонам года проверять практические скорости и время пребыва¬ ния воды в камерах хлопьеобразования с одновременной оценкой крупности сформированных хлопьев, обладающих хорошими адсорбционными свойствами и достаточной прочностью при транс¬ портировке их от камер до места осаж¬ дения. Глава 7 ОСАЖДЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ 7.1. Теоретические основы процесса осаждения Основная масса взвешенных в воде при¬ месей и скоагулированных хлопьев уда¬ ляется отстаиванием. Различают взвесь монодисперсную, состоящую из частичек примерно одина¬ ковой гидравлической крупности, и по- лидисперсную, состоящую из частичек различного размера, гидравлическая крупность которых изменяется в значи¬ тельных пределах. В неподвижной жидкости на осаждаю¬ щуюся частичку действует: 1) сила гравитации ее в воде G = (Рч — Рж) g№ (pu и рж —соответственно плотности частички и жидкости; g — ускорение свободного падения; W — объем жид¬ кости); 2) сила сопротивления жидкости, за¬ висящая от ее вязкости, массы, размера и формы частички, скорости ее осаждения; 3) сила гравитации, равная массе час¬ тички, умноженной на ускорение сво¬ бодного падения. На скорость движения частичек взве¬ си, осаждающихся в неподвижной жид¬ кости под действием силы гравитации, влияют: форма и размеры частичек, их плотность и коэффициент сопротивления жидкости движению частичек. Для монодисперсных шарообразных частичек диаметром d скорость свобод¬ ного осаждения v в неподвижной воде вы¬ ражается уравнением 93 \.
I в s. 100 V &/ V. / у/ / // Рис. 7.1. Зависи¬ мость скорости осаждения в во¬ де с температу¬ рой 10°С моно- дисперсных ша¬ рообразных ча¬ стичек взвеси различной плот¬ ности от их диа¬ метра. 0,01 0,1 1,0 ю Диаметр частичек,мм где /Сш — коэффициент сопротивления осаждающейся шарообразной частички, зависящий от числа Рейнольдса и явля¬ ющийся его функцией: Re = ~ж ; |i — коэффициент динамической вязкости жидкости. Для очень мелких частичек, осажда¬ ющихся с небольшой скоростью (при Re < 2), когда на сопротивление движе¬ нию частички влияет только сила гра¬ витации, коэффициент сопротивления ра¬ вен к - 24 "rT‘ Скорость свободного падения такой шарообразной частички описывается уравнением Стокса 1 Рч Рж 18 И I’d2. Коэффициент сопротивления при 2 < < Re < 50 выражается формулой к 18,5 Лш = • Re0,6 С увеличением скорости осаждения и размеров частичек (Re > 500) при об¬ текании их жидкостью возникает тур¬ булентность; на коэффициент сопротив¬ ления силы вязкости влияют незначи¬ тельно, он становится независимым от числа Рейнольдса и равным 0,4. Уравне¬ ние скорости свободного падения шарообразной частички в этих усло¬ виях записывается так: v = 33g (рч — рж) d. На скорость осаждения частичек зна¬ чительно влияет плотность частичек твердой фазы. Плотность некоторых ве¬ ществ, содержащихся в природной воде в виде взвесей, а также гидроксидов, образующихся в процессе гидролиза коа¬ гулянтов, приведена ниже. Вещество Плотность, г/см3 Кварцевый песок (Si02) 2,65 Глина (лсА1203 • yS\02 ■ zH20) 2,60 Оксид алюминия (А1203) 4,0 Гидроксид алюминия (А1203 • ЗН20) 3,4 Оксид железа (Fe203) 5,12 Гидроксид железа (Fe203 • ЗН20) 4,09—4,28 Отсюда следует, что частички, образу¬ ющиеся в воде при коагулировании гид¬ роксидов, должны осаждаться быстрее, чем природные взвеси (песок, глина) той же крупности (рис. 7.1). Скорость осаждения в воде нешарооб¬ разных частичек по сравнению с шаро¬ образными значительно меньше. В свя¬ зи с тем, что на коэффициент сопротивле¬ ния влияет форма частичек, в уравнение коэффициента сопротивления шарообраз¬ ной частички вводится коэффициент фор¬ мы Кш = КфКн, где Кн —коэффициент сопротивления при осаждении нешарообразной частич¬ ки; Лф — коэффициент формы, равный для окатанного песка 0,85—0,87, для остроугольного песка —0,67—0,75, для дробленого антрацита — 0,58—0,70. Большинство взвесей, встречающихся в природной воде, а также образующих¬ ся в процессе очистки, неоднородны по форме, размерам и массе. Поэтому ха¬ рактер процесса осаждения таких поли- дисперсных взвесей устанавливается экс¬ периментально на основании графика, где на оси абсцисс откладывают время осаждения, а на оси ординат — массу выпавшей взвеси. Проводя касательные к отдельным точкам кривой и продле¬ вая их до пересечения с осью ординат, получают массу полностью осевших к определенному времени фракций. Об¬ щую массу осевшей взвеси определяют по высоте перпендикуляра АВ, опущен¬ ного на ось абсцисс (рис. 7.2). Кривые осаждения взвеси характери¬ зуют ее гранулометрический состав и по¬ ведение при отстаивании. Чем круче начальный участок кривой, тем больше Рис. 7.2. Оса- Й ждение поли- ^ дисперсной си¬ стемы. С t t-t t t b Ьремя осаждения мин 94
о. - 5 4 'Л х; 2 1 Г + / / 20 40 60 вО 100 Время осаждения, мин Рис. 7.3. Кинетические кривые осаждения скоагули- рованной взвеси (доза коагулянта 50 мг/л) при зна¬ чениях Ддк/Дк. ! — 0; 2 — 1.5: 3 — 3; 4 — 6: 5 — 10. крупность и неоднородность взвеси и тем скорее она осаждается. При более поло¬ гой кривой взвесь более однородна и осаждается медленнее. Такие кривые (см. рис. 7.2) могут быть получены при помощи специальных при¬ боров: седиментометра Н. А. Фигуровско- го, интегратора взвеси ВНИИ ВОДГЕО и др. Для этого исследуемую воду помещаю! в стеклянный цилиндр, устанавливае¬ мый под коромысло седиментометра или торсионных весов. Затем в цилиндр на определенную глубину от поверхности воды опускают чашечку, подвешенную под коромысло весов или седиментомет¬ ра на тонких нитях, и включают секун¬ домер. Через определенные интервалы времени (сначала через каждые 3—5, а затем через каждые 15—30 мин) запи¬ сывают показания весов. После того как осаждение взвеси практически прекра¬ тится и приращение массы осадка в ча¬ шечке за 15 мин будет меньше одного де¬ ления на шкале весов, чашечку осторож¬ но извлекают из цилиндра, осадок из нее переносят в заранее взвешенный бюкс, высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы и взвешивают. Массу этого осадка принимают равной 100 %. Затем, определив массу осадков всех ранее произведенных отсчетов, вы¬ ражают ее в процентах от исходной кон¬ центрации. Экспериментальные точки наносят на график и по ним строят кри¬ вую осаждения взвеси. На рис. 7.3 приведены кривые осажде¬ ния взвеси, полученные при обработке воды Al2 (S04)3 и различными дозами АК (температура воды 20 °С), из которых следует, что добавки АК позволяют в достаточно широких пределах регули¬ ровать седиментационные свойства коа¬ гулированной взвеси. Введение АК значительно увеличивает скорость нако¬ пления осадка, особенно в начальный период осаждения. Относительно низкое содержание мелких хлопьев усиливает конечный эффект осветления воды. Так, масса частичек с гидравлической круп¬ ностью больше 0,15 мм/с возрастает при добавке 3 % АК в 20—25 раз по сравнению с одним коагулянтом, при 5 % АК — в 30, при 10 % АК — в 40 раз. Время осаждения t зависит от высоты h слоя воды. Разделив эту высоту на время, соответствующее определенному проценту выпавшей взвеси (1Ъ t2 и т. д.), находят так называемые «процентные» скорости и выпадения взвеси: h h «, = — ; и, = — и т. д. 1 2 На основании исследования многих кривых в координатах «скорость осажде¬ ния — эффект осветления» разработана методика, позволяющая сравнивать спо¬ собность различных вод к осветлению. По этой методике определяют процент выпавшей взвеси (рис. 7.4) при скоростях осаждения 0,2 (В) и 1,2 мм/с (А). Первый показатель отвечает пребыванию воды в отстойнике в течение 6 ч, а второй — 1 ч; глубина отстойника принята равной 4 м. Условное обозначение А/В, называе¬ мое показателем осаждаемости взвеси, позволяет построить график, характери¬ зующий взвесь данной воды: пологие кривые свидетельствуют о преобладании 0,г Ц4 Q6 0,8 1,0 1,2 Скорость осаждения, мм/с Рис. 7.4. Графическая зависимость показателя осаж¬ даемости взвеси для разных вод: /—3 — показатели осаждаемости взвеси А /В соот¬ ветственно равны 12/35: 22/47; 7/89 95 Ч
I Скорость осаждения, мм/с Рис. 7.5. Зависимость скорости осаждения взвеси (доза коагулянта — 50 мг/л) при значениях Ддк/Дк* %: / _ 0; 2 — 1,5: 3 — 3; 4 — 5; 5—10. крупных фракций, кривые с крутым на¬ клоном указывают на значительное коли¬ чество мелких фракций. Применение флокулянтов, приводя к общему укруп¬ нению хлопьев и обеспечивая большую однородность взвеси, делает эти кривые более пологими (рис. 7.5). Пользуясь процентными скоростями выпадения взвеси, получают данные для проектирования отстойников. Графики строят на основе экспериментальных данных, полученных методом техноло¬ гического моделирования процесса осаж¬ дения. Основой методики моделирования является подобие кривых выпадания взвеси, получаемых при различных вы¬ сотах слоя воды: где tu, t„ и Ам, ha — соответственно вре¬ мя и высота слоя воды (осаждения взвеси) при моделировании и в натуре. В случае коагулированной взвеси, агломерирующейся в процессе осажде¬ ния, вышеуказанное соотношение может не соблюдаться. Как показывают ис¬ следования, кривые осаждения такой взвеси при различных высотах осажде¬ ния также можно рассматривать как подобные, если условие подобия выра¬ жено соотношением t / h ды с добавкой АК достигается при боль¬ ших фиктивных скоростях осаждения взвеси. Это свидетельствует о том, что при использовании АК необходимая сте¬ пень осветления воды может быть полу¬ чена при меньшей длине отстойника, чем в случае применения одного коагу¬ лянта. Если же длина отстойника оста¬ ется такой же, как и при обработке воды только коагулянтом, то введением АК можно увеличить его производитель¬ ность без снижения качества осветленной воды. Главная задача при проектировании отстойников — обеспечение осаждения в них основной массы взвеси, содержа¬ щейся в обрабатываемой воде. В практике водоподготовки для выде¬ ления из воды взвешенных веществ перед поступлением ее на фильтры при¬ меняют горизонтальные, вертикальные и радиальные отстойники, названные так по направлению в них потока воды. Содержание взвешенных веществ в во¬ де после отстойников не должно превы¬ шать 8—15 мг/л. 7.2. Горизонтальные отстойники Горизонтальные отстойники (рис. 7.6) представляют собой прямоугольные резервуары, выполняемые обычно из желе¬ зобетона и оборудованные водораспреде¬ лительными и водосборными устройства¬ ми, трубопроводами для подвода освет¬ ляемой воды и отвода осветленной и устройствами для периодического уда¬ ления выпавшего осадка. /3 41 -iRT®!5 £1 .2 Аи \ Лм Показатель степени п < 1 отражает влияние агломерации хлопьев в процессе осаждения. Его значение рекомендуется принимать в зависимости от степени аг¬ ломерации частичек до осаждения в пределах 0,2—0,5. Для крупных, сфор¬ мированных хлопьев п = 0,5. Анализ данных рис. 7.5 показывает, что определенный эффект осветления во¬ J Рис. 7.6. Схемы движения воды в горизонтальных от¬ стойниках: а — одноэтажном прямоточном (разрез); б — двух¬ этажном прямоточном (разрез); в — двухэтажном с поворотом потока (разрез); г — одноэтажном с по¬ воротом потока (план); / — подвод воды; 2 — отвод осадка; 3, 4 — соответственно распределительный и сборный водосливы: 5 — отвод отстоянной воды; 6 «• водомеры 96
1-1 7 /7 1 . — — — — и 11-11 + + + -*- + 1-+4- ++ + —*- zr. п Рис. 7.7. Схемы водораспределительных и водосбор¬ ных устройств отстойников: а — поперечный водослив; 6 дырчатые перегород¬ ки; в — дырчатые желоба. В средней полосе СССР g продолжи¬ тельными периодами устойчивых мину¬ совых температур отстойники выполня¬ ют с покрытиями, засыпают их землей со всех сторон и сверху, устраивая лишь небольшие павильоны у торцов; в юж¬ ных районах с теплым климатом отстой¬ ники обычно устраивают открытыми. Горизонтальные отстойники часто со¬ вмещают с камерами хлопьеобразования, примыкающими к ним или встроенными в них (см. рис. 6.6). Их можно проектиро¬ вать одноэтажными и двухэтажными с торцевым или рассредоточенным по площади сбором осветленной воды, без поворота или с поворотом потока воды в горизонтальной или вертикальной пло¬ скости (см. рис. 7.6). Преимущество двухэтажных отстойников заключается в значительно меньших площадях за¬ стройки, объеме и расходе бетона на их строительство, а большой недостаток их — необходимость в дополнительном подъеме воды. Кроме того, требуются особые гидрогеологические условия пло¬ щадки, позволяющие производить боль¬ шие заглубления. Применяют горизонтальные отстойни¬ ки на станциях хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения про¬ изводительностью более 30 тыс. м3/сут при удалении из воды скоагулированной взвеси и любой производительностью — при удалении нескоагулированной взвеси. Вода поступает в отстойник с торцевой стороны. Для более равномерного рас¬ пределения воды по живому сечению во¬ дораспределительные и водосборные уст¬ ройства отстойников устраивают в виде поперечных водосливов, дырчатых пере¬ городок и дырчатых желобов (рис. 7.7). Наиболее эффективны дырчатые перего¬ родки, которые располагают на расстоя¬ нии 1—2 м от торцевой стенки. Площадь отверстий в дырчатых перегородках вы¬ бирают так, чтобы скорость движения воды в них была меньше той скорости, при которой начинается разрушение хлопьев скоагулированной взвеси (не более 0,5 м/с). В нижней части перего¬ родки на 0,3—0, 5 м выше зоны накопле¬ ния и уплотнения осадка отверстия не предусматриваются. Для уменьшения длины зоны повышенной турбулентности, образующейся за дырчатой перего¬ родкой, в начале отстойника целесооб¬ разно экранировать выход из отверстий перегородки сферическими или кониче¬ скими успокоителями (рис. 7.8). Высоту отстойника в зависимости от высотной схемы станции принимают равной 3—5 м. По высоте отстойник разделяется на две зоны: осаждения и накопления и уплотнения осадка. Если перерыв в подаче воды недопус¬ тим, то отстойников должно быть не ме¬ нее двух, чтобы обеспечить отстаивание воды при отключении одного отстойника. Для повышения равномерности рас¬ пределения воды в поперечном сечении отстойника кроме установки дырчатых перегородок каждый отстойник делят вдоль легкими перегородками с таким расчетом, чтобы ширина каждого кори¬ дора не превышала 6 м (в зависимости от шага колонн, поддерживающих покры¬ тие). В связи с тем что осадок распределя¬ ется по дну отстойника неравномерно и большая часть его скапливается в пер¬ вой половине, объем осадочной части отстойника в начале делают больше, чем в конце. Для этого, а также для периоди¬ ческого выпуска осадка при смыве его водой из шланга дно горизонтального отстойника должно иметь продольный Рис. 7.8. Экранирова¬ ние отверстий в дыр¬ чатых перегородках. J ] д V К з? Г ■*-? - 2d 1 , I ' Ж 'Ш d 1 4 5-2398 97
уклон 0,02 в направлении, противопо¬ ложном движению воды, и поперечные уклоны в каждом коридоре не менее 0,05. При гидравлическом способе удале¬ ния осадка продольный уклон дна от¬ стойника следует принимать не менее 0,005. Механические средства удаления осадка из горизонтальных отстойников устраивают при значительной мутности исходной воды или частом повторении периодов повышенной мутности воды в течение года. В качестве механических средств удаления осадка применяют скребковые конвейеры, сгребающие оса¬ док в приямок, откуда его откачивают гидроэлеваторами или центробежными насосами. Другим способом удаления осадка яв¬ ляется выпуск его через сборную систему из перфорированных труб или каналов, укладываемых по дну отстойника. При открывании задвижки осадок под давле¬ нием выжимается через отверстия и от¬ водится в канализацию. Устье труб или каналов располагают в начале отстой¬ ника, где скапливается наибольшее коли¬ чество осадка. При ширине коридора отстойника не более 3 м осадок из этого коридора мож¬ но удалять одной дырчатой трубой или дырчатым каналом, прокладываемым по продольной оси коридора; при боль¬ шей ширине коридора нужны две трубы. Трубы с отверстиями, расположенными по бокам их вертикальной оси, должны выполняться из нержавеющих материа¬ лов. При реконструкции существующих, а также строительстве новых открытых и закрытых горизонтальных отстойни¬ ков Академия коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова рекомендует при¬ менять напорную гидромеханическую систему удаления осадка. Напорная система смыва и удаления осадка состоит из напорного коллектора, разводящих напорных трубопроводов, патрубков с бронзовыми насадками и на¬ соса, обеспечивающего работу системы. Согласно СНиП 2.04.02—84, горизон¬ тальные отстойники с торцевым сбором воды рассчитывают так. Определяют суммарную площадь F0бЩ отстойников (в плане): где q — расчетный расход воды, м3/ч; и0 — скорость осаждения взвеси, мм/с; а = ц0 - (“ср/30) ~ коэффициент, учи¬ тывающий влияние вертикальной состав¬ ляющей скорости потока, принимают ^ср = Ки0; скорость осаждения взвеси и0 находят для некоторых отстойников по данным технологического анализа по зависимости «О = «Э Vhjhs, где иэ, 1гэ —соответственно скорость осаждения взвеси и высота слоя воды в цилиндре при экспериментальном иссле¬ довании; ha — глубина осадочной части отстойника. Ориентировочные значения и0 прини¬ мают в зависимости от свойств обраба¬ тываемой воды и способа ее обработки: цветные воды (содержание взвешенных веществ до 50 мг/л, обработка коагулян¬ том) — 0,35—0,45; мутные воды (содер¬ жание взвешенных веществ 50—250 мг/л, обработка коагулянтом —0,45—0,50; содержание взвешенных веществ более 250 мг/л, обработка коагулянтом — 0,50—0,60, без обработки коагулян¬ том — 0,12—0,15). При использовании флокулянтов зна¬ чение и0 увеличивают на 20—30 %. В случае применения встроенных камер хлопьеобразования со слоем взвешен¬ ного осадка приведенные выше значения иа также увеличивают: при обработке мутных вод на 30 и маломутных — на 20 %. Необходимое для расчета иср зна¬ чение коэффициента К находят по отно¬ шению длины отстойника L к средней глубине осаждения Я: L/H 10 15 20 25 К 7,5 10 12 13,5. Ширину отстойника В определяют по формуле я - q 3,6VCPHN ’ длину отстойника L — по формуле где иср —средняя горизонтальная ско¬ рость движения воды в отстойнике, мм/с; Н — средняя глубина осаждения, м 98
(принимают равной 3—3,5 м в зависи¬ мости от высотной схемы станции); N — расчетное число отстойников (принимают на основании технико-экономических со¬ ображений, но не менее двух). Объем зоны накопления и уплотнения осадка для отстойников с механическим его удалением определяют в зависимости от размеров устройств, принятых для удаления осадка. Для отстойников с гидравлическим способом удаления осад¬ ка объем зоны накопления и уплотнения осадка Woe определяют по формуле 24q (Сср-т)Т °с— N8 где Сср = (М + КДк + 0,25 Ц + В) — среднее содержание взвешенных веществ в воде, поступающей в отстойник, г/м3; т — содержание взвеси в воде, выходя¬ щей из отстойника (принимают равным 8—15 г/м3), г/м3; Т — период работы отстойника между удалениями осадка, ч; б — средняя концентрация уплотнен¬ ного осадка, г/м3; М —содержание взвешенных веществ в исходной воде, г/м3; Дк —доза коагулянта в пересчете на безводный продукт, г/м3; К — пере¬ водной коэффициент (для очищенного Al2 (S04)3 равен 0,55, для FeCl3 — 0,8); Ц — цветность исходной воды, град.; В —содержание нерастворимых ве¬ ществ, вводимых с известью, г/м3 воды. Концентрация осадка, образующегося в отстойниках, зависит от времени его уплотнения и содержания в исходной воде взвешенных веществ. После уплот¬ нения в течение 12—24 ч концентрация осадка, выделяющегося при обработке воды коагулянтом, по СНиП 2.04.02—84 принимается следующей: при содержании взвешенных веществ в исходной воде до 50 мг/л — 12—15 кг/м3; 50—100 мг/л — 16—20; 100—400 мг/л —32—40; 400— 1000 мг/л —50—60; 1000—1500 мг/л — 100—120; при безреагентном осветлении воды — 250—300 кг/м3. Точный статистический метод расчета отстойников, учитывающий различное влияние вертикальной составляющей скорости на осаждение частичек взвеси различной гидравлической крупности, разработан во ВНИИ ВОДГЕО Г. Д. Павловым. Значение вертикальной составляющей W принимают равным 1/30 скорости потока или определяют по формуле нп где т' — коэффициент, зависящий от шероховатости стенок и дна отстойника; уСр —средняя скорость движения воды в отстойнике; Н — рабочая глубина от¬ стойника; п — показатель степени, при¬ нимают равным 0,2. Вертикальная составляющая скорости потока, препятствующая осаждению взвеси в отстойнике, возрастает с увели¬ чением скорости потока воды в нем. Поэтому скорость движения воды в от¬ стойниках, задерживающих легкую, мед¬ ленно оседающую взвесь, следует при¬ нимать меньшей, чем в отстойниках, задерживающих тяжелую, быстро осе¬ дающую взвесь. Вертикальная составляющая скорости движения воды должна быть значительно меньше расчетной скорости осаждения взвеси. 7.3. Вертикальные отстойники Вертикальный отстойник (см. рис. 6.2) представляет собой круглый или квад¬ ратный (в плане) резервуар с камерой хлопьеобразования водоворотного типа в центральной трубе и с конусным дни¬ щем для накопления и уплотнения осад¬ ка. Он оборудуется также трубопрово¬ дом для подачи осветляемой воды, жело¬ бами для сбора осветленной воды, а так¬ же трубопроводом для периодического выпуска осадка или опорожнения отстой¬ ника. В связи с широким использованием в технологии очистки воды осветлителей со слоем взвешенного осадка сфера при¬ менения вертикальных отстойников зна¬ чительно сузилась. Их применяют на станциях реагентной очистки воды про¬ изводительностью до 5 тыс. м3/сут. Осветляемая вода в вертикальных от¬ стойниках движется снизу вверх. Взвесь оседает в восходящем потоке за счет разницы между скоростями оседания частичек и движения воды. Высота зо¬ ны осаждения в вертикальных отстой¬ никах в зависимости от коэффициента, учитывающего его объемное использова¬ ние, составляет 4—5 м, отношение диа¬ метра к высоте — 1,0 : 1,5. 4* 99
Сбор осветленной воды в вертикальных отстойниках предусматривают с перифе¬ рийными и радиальными желобами. Се¬ чение желобов рассчитывают при ско¬ рости движения воды 0,5—0,6 м/с. Для более равномерного распределения воды по всему сечению отстойника целесооб¬ разно отбирать ее через затопленные отверстия в желобах или через треуголь¬ ные вырезы в их кромках; сечение их можно определить, принимая скорость движения воды 1 м/с, диаметр —20— 30 мм. Накапливающийся в нижней осадоч¬ ной части отстойника осадок периоди¬ чески удаляют самотеком (под давлением столба воды), открывая задвижку на вы¬ пускной трубе диаметром 150—200 мм. Для этого угол между образующими конуса или наклонными стенками при коническом или пирамидальном днище отстойника должен составлять 70—80°. Если выпустить осадок самотеком невоз¬ можно, его отсасывают насосом. Период работы отстойника между сбросами осад¬ ка Т и расход при этом воды Рос мож¬ но определить по формулам определяют по формуле Т=- 9(Сср — Кр^ос ЯТо ■ 100, 3,6VpN где Wna —объем осадочной части от¬ стойника, м3; N — число отстойников, шт.; б —средняя плотность осадка, г/м3; q — производительность отстойников, м8/ч; Сср, m —соответственно содержа¬ ние взвеси в поступающей и осветленной воде, мг/л; Кр — коэффициент разбав¬ ления осадка (принимают равным 1,2— 1,5); Та—продолжительность работы отстойника между чистками, сут. Выпуск осадка следует предусматри¬ вать без выключения отстойника. Пе¬ риод работы отстойника между сбросами осадка должен составлять не менее 6 ч. При содержании взвешенных веществ более 1000 мг/л период его работы не должен превышать 24 ч. Расчет вертикальных отстойников про¬ изводят по скорости восходящего пото¬ ка воды. Суммарная площадь поперечного се¬ чения отстойника состоит из площадей зоны осаждения и камеры хлопьеобра¬ зования. Площадь зоны осаждения F где Ор — скорость восходящего потока, мм/с; (J) — коэффициент объемного ис¬ пользования отстойника (принимают равным 1,3—1,5). Площадь камеры хлопьеобразования FK вычисляют по формуле, приведенной на с. 88. Общая площадь отстойника Fo6m — — F + FK; при этом необходимо, чтобы площадь одного отстойника не превыша¬ ла 100 м2. Диаметр отстойника D определяют по формуле 4 F п общ лЛ/ ’ 7.4. Радиальные отстойники Радиальные отстойники являются раз¬ новидностью горизонтальных и применя¬ ются для осветления воды, содержащей более 1,5 г/л взвешенных веществ. Они представляют собой круглые (в плане) резервуары, оборудованные подводящи¬ ми и отводящими воду трубопроводами, водораспределительными и водосборны¬ ми устройствами, а также вращающими¬ ся фермами со скребками для удале¬ ния осадка (рис. 7.9). Вода подается по центральной тру¬ бе, проходит по распределительным устройствам 1, выполненным в виде цилиндрической дырчатой перегородки, и движется в радиальном направлении от центра к периферийному желобу 2, из которого отводится по трубам. Выпав¬ ший осадок сгребается скребками 3, прикрепленными к медленно вращаю¬ щейся (1,5 об/ч) ферме 4, в приямок 5, а из него периодически удаляется спе¬ циальными насосами. Размеры радиальных отстойников при¬ нимают в соответствии с ГОСТ 10876—64 «Сгустители одноярусные». Отстойни¬ ки диаметром от 2,5 до 18 м выполня¬ ют с центральным приводом, от 18 до 100 м —с периферическим. Глубина отстойников в зависимости от произво¬ дительности колеблется от 1,5—2 у пе¬ риферии до 3,5 м у центра. 100
Рис. 7.9. Схема радиального отстойника. Площадь F радиальных отстойников рассчитывают по формуле где q — расчетный расход воды, м3/ч; / — площадь вихревой зоны (радиус ее принимают на 1 м большим радиуса водораспределительного устройства), м2; и0—скорость осаждения взвеси, мм/с. Сбор осветленной воды производят периферийным желобом с треугольными вырезами или затопленными отверстия¬ ми. 7.5. Спиральные, многоярусные и тонкослойные типы отстойников Спиральные отстойники представляют собой круглые в плане сооружения (типа радиальных отстойников), в которых ус¬ тановлены спиральные направляющие пе¬ регородки, удлиняющие путь движения воды. На очистных сооружениях малой про¬ изводительности применяются отстой¬ ники с небольшой глубиной осаждения взвеси. Их выполняют в виде горизон¬ тальных отстойников малой длины или в виде круглых в плане многоярусных отстойников. Схема блока установки для осветления воды с многоярусным отстойником пред¬ ставлена на рис. 7.10. Установка состо¬ ит из камеры флокуляции 1, горизон¬ тального отстойника 2 и фильтра 3. Вода с введенными в нее реагентами поступает сверху в оборудованную механической мешалкой камеру флокуляции, в кото¬ рой образуются крупные быстро осе¬ дающие хлопья, а из нее — в отстойник. Двигаясь по наклонным плоскостям параллельно работающих ярусов от¬ стойника, вода осветляется и поступает на фильтр. Фильтр промывают потоком воды, направленным снизу вверх. Каме¬ ру флокуляции перед нромывкой фильт¬ ра отключают и выпускают из нее часть воды. Двигаясь с большой скоростью по наклонным плоскостям отстойника, вода смывает с них выпавший осадок и вместе с ним отводится в канализацию. Результаты испытаний многоярусного отстойника длиной 2,5 м с глубиной осаждения 12—100 мм представлены на 101
Рис. 7.10. Схема установки для осветления воды с мно¬ гоярусным отстойником. рис. 7.11. При обработке воды, содер¬ жащей 450 мг/л взвешенных веществ, дозой сульфата алюминия 100 мг/л и полиакриламида 0,5 мг/л необходимый эффект осветления достигается за 15 мин. К отстойникам с малой глубиной осаж¬ дения относятся тонкослойные отстой¬ ники. Схема такого отстойника, разра¬ ботанного ГПИ «Укрводоканалпроект», приведена на рис. 7.12. Осветляемая вода по трубе 3 поступает в гравийную камеру 4 и поднимается в зону осветления 6. Плавное расшире¬ ние конструкции позволяет постепенно снижать скорость потока, в результате чего отделяются наиболее тяжелые час¬ тички взвеси. Частично осветленная вода направляется в многослойную за¬ грузку 9, в которой обеспечивается ее ламинарное движение и осаждение из нее более мелких частичек. Выпавший осадок по загрузке сползает вниз, а ос¬ ветленная вода, собираясь системой труб и каналов 10, подается потребителю. Длона отстойники. си Рис. 7.11. Зависимость количества осажденной взвеси в многоярусном отстойнике от его длины и глубины осаждения. По мере накопления взвесь из зоны ос¬ ветления 6 через окна 7 перемещается в зону уплотнения осадка 8, из которой непрерывно или периодически частично уплотненный осадок отводится сборными коробами 2 для дальнейшего уплотнения. Отделяемая от уплотненного осадка вода поступает в многослойную загруз¬ ку, расположенную над зоной уплотне¬ ния , и вместе с основным потоком освет¬ ленной воды попадает в сборную систему. В Ленинградском институте инжене¬ ров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ) разработаны напорные гори¬ зонтальные тонкослойные отстойники полочного типа с горизонтальным дви- Рис. 7.12. Схема тонкослойного отстойника: / — корпус; 2 — сборные короба; 3 — труба для подвода осветляемой воды; 4 — камера с гравийной загрузкой; 5 — перегородки; 6 — зона осветления воды; 7 — окна; 8 — зона уплотнения осадка; 9 — многослойная загрузка; 10 — трубы для сбора освет¬ ленной воды. 102
А-А Б-S /Г CZDI \| =■! 1 /1 к Рис. 7.Id. Гори- Г" зонгальный на- М порный отстой- ник полочного типа. жением потока воды, кото¬ рые внедрены на водоочи¬ стных сооружениях ряда железнодорожных станций1 Каждый из трех отстой¬ ников (рис. 7.13), установ¬ ленных на этих сооруже¬ ниях, представляет собой блок, состоящий из собст¬ венно тонкослойного от¬ стойника 3диаметром 2 ми двух горизонтально распо¬ ложенных под ним водово¬ ротных камер хлопьеобра¬ зования 8 диаметром 1,2 м каждая. Длина отстойника и камер хлопьеобразования одинакова и равна 6 м. В отстойнике уста¬ новлен пакет полок 2 длиной 2,5 м, со¬ бранный из отдельных листов оцинкован¬ ного железа толщиной 0,8 мм. На кон¬ цевых участках пакета полок находятся перегородки 5, препятствующие движе¬ нию воды у стенок отстойника. Полки установлены в продольном сечении гори¬ зонтально, а в поперечном — под углом 60° к горизонтали на расстоянии 43 мм по нормали друг к другу. Они разделя¬ ют отстойную зону на 50 элементарных зон с общей площадью поперечного се¬ чения 2,18 м2. Под пакетом полок устро¬ ен шламосборник 6 высотой, равной 0,25 диаметра отстойника. Осадок удаляется дырчатым трубопроводом 15, располо¬ женным в нижней части шламосборника. В шламосборнике в пределах пакета полок установлены четыре поперечные перегородки 13, которые предотвраща¬ ют движение воды под пакетом полок. Исходная вода, предварительно обрабо¬ танная коагулянтом и хлором, через входные патрубки 11 и сопла 10 подается в камеры хлопьеобразования, пройдя которые поступает в полочный отстойник через окна 16, устроенные на концевых участках камер. Равномерное распреде¬ ление потока по полочным пространствам обеспечивают распределительные пере¬ городки / и 9. При движении воды в меж- полочных пространствах взвесь осажда¬ ется на поверхности полок, затем, спол¬ 1 Симонов Ю. М., Иванов В. Г., Павлов М. С. Испытание тонкослойных отстойников на мало¬ цветной воде средней мутности.— Водоснабже¬ ние и санитарная техника, 1979, № 1, с. 24. зая с нее, попадает в шламосборник, откуда периодически удаляется в канали¬ зацию без прекращения работы отстой¬ ника. Отстоянная вода отводится через патрубок 4 на сооружения дополнитель¬ ной очистки. При необходимости камеры хлопьеобразования и отстойник опорож¬ няются через патрубок 14. Отстойники и камеры оборудованы смотровыми люка¬ ми 7 и 12. Производительность каждого отстой¬ ника в основном режиме равна 54 м3/ч, скорость движения воды в межполоч- ном пространстве 6,92 мм/с. Для более равномерного распределения воды меж¬ ду отстойниками предусмотрены мерные диафрагмы, устанавливаемые на вход¬ ных патрубках 11. На рис. 7.14 представлены эксперимен¬ тальные данные, характеризующие эф¬ фект осветления воды Э9 в отстойниках в зависимости от скорости движения воды v0 в межполочном пространстве. Как видно из рисунка, при работе от¬ стойников в основном рабочем режиме стабильный эффект осветления воды при длительности пребывания в полочных \ > .1 \ X > • "'“у --ч , >- -(> Рис. 7.14, Изменение эффекта осветления и дли¬ тельности пребывания воды в межполочных простран¬ ствах пакета иолок tп от скорости ее движения vQ • — оньюные данные; О — расчетные данные. 103
пакетах не более 10 мин составляет в среднем 93—95 %. Содержание взве¬ си в отстоянной воде не превышает 12 мг/л. Тонкослойные отстойники позволяют значительно интенсифицировать процесс осаждения взвеси, на 60 % уменьшить площадь застройки и на 25—30 % повы¬ сить эффект осветления воды по сравне¬ нию с обычно применяемыми отстойни¬ ками. В НИИ коммунального водоснабже¬ ния и очистки воды АКХ разработаны водоочистные установки типа «Струя» (рис. 7.15), предназначенные для реа¬ гентного и безреагентного осветления и обеззараживания воды поверхностных источников. Схема реагентной обработки обеспе¬ чивает высокий эффект осветления при мутности исходной воды до 1000 мг/л и любой цветности; безреагентная схема — при мутности 100 мг/л и цветности до 35—40 град. Раствор реагента вводят во всасываю¬ щий или напорный патрубок насоса, пос¬ ле которого установлен сетчатый фильтр для задержания крупных плавающих примесей. Затем вода поступает в каме¬ ру хлопьеобразования и тонкослойный отстойник, в котором происходит осаж¬ дение взвеси и интенсивное осветление воды. Часть осадка сползает в камеру хлопьеобразования. Окончательно ос¬ ветляется вода, проходя через песча¬ ный фильтр. Предусмотрен ввод хлор¬ содержащего реагента в исходную и отфильтрованную воду. В установки, работающие по безреа- гентной схеме, входят те же элементы, f однако вследствие более низкой интен¬ сивности процессов отстаивания и фильт¬ рования расчетная производительность их в четыре раза меньше. 7.6. Эксплуатация отстойников Эксплуатация отстойников сводится к выполнению следующих основных ме¬ роприятий. Прежде всего необходимо следить за равномерным распределением по всему поперечному сечению поступа¬ ющей в отстойник воды и равномерным сбором отстоянной воды по всей длине сборных лотков. Перекосы кромок пере¬ ливных желобов и лотков, засорение отверстий в подводящих и отводящих трубопроводах могут приводить к утеч¬ кам воды, обработанной реагентами, в канализацию. Следует своевременно уда¬ лять из отстойников осадок и плавающие примеси, а также следить за накоплением осадка и его влиянием на процесс освет¬ ления воды. Если гидравлическое уда¬ ление осадка не предусмотрено, отстой¬ ники выключают на очистку не реже од¬ ного раза в год, как правило, после па¬ водков. Работы по очистке отстойников выполняют в следующем порядке: пре¬ кращают подачу воды в отстойник; от¬ крыв водосливные задвижки, сбрасывают воду с частью осадка в канализацию; ос¬ тавшийся осадок смывают водой из брандс¬ пойтов и удаляют в канализацию; снимают загрязнения со стенок и перегородок и обрабатывают их 5 %-м раствором FeS04; производят дезинфекцию отстойника хлорной водой дозой 25 мг/л активного хлора, промывают, заполняют водой и включают в работу. Рис. 7.15. Схема установки типа «Струя»: / — насос для подачи воды на обработку; 2 — сетчатый фильтр; 3 — тонкослойный отстойник; 4 — песчаный фильтр; 5 — регулирующая емкость водопроводной баш¬ ни; 6 — промывной отсек; 7 — ввод обеззараживающего реагента; 8 — оборудование для обеззараживания; 9 — на- сос-дозатор хлорсодержащего реагента; /О — оборудование для коагулирования; // — насос-дозатор J / коагулянта; 12 — one- \ /у/7/yS^ —| у рационная задвижка; 13 — ввод коагулян¬ та; Г4 — электроме¬ шалки; -*■ — работа; « промывка. 104
В процессе работы отстойника необхо¬ димо проверять также фактическую ско¬ рость потока воды, длительность пребы¬ вания ее в отстойнике и эффективность осаждения взвеси. Последнюю определя¬ ют по прозрачности или мутности посту¬ пающей, находящейся в разных участ¬ ках и выходящей из отстойника воды. Мутность осветленной воды не должна превышать 8—15 мг/л, ее прозрачность должна быть не менее 25 см по шрифту, содержание алюминия — не более 35 % применяемой дозы коагулянта, цвет¬ ность — около 20 град. Распределительные и сборные желоба и лотки следует содержать в чистоте. Удаление плавающих примесей и осадка должно быть механизировано. Работа горизонтальных отстойников значительно интенсифицируется при до¬ бавлении в воду ПАА или АК- При эксплуатации тонкослойных от¬ стойников следят, чтобы в межполочное пространство не попадал воздух. Уда¬ лять осадок лучше, периодически вклю¬ чая вибратор и одновременно открывая на илопроводе задвижку для его сброса. 7.7. Осветление воды в гидро- и мультициклонах Применение напорных гидроциклонов (рис. 7.16) целесообразно и экономично в системах хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения для предварительного осветления поверхно¬ стных вод с высокой кратковременной мутностью. В них обеспечивается от¬ деление песка и минеральных частичек диаметром более 0,10—0,15 мм, плот¬ ностью 1,2 г/см3 и более. Как известно (см. п. 7.1), в неподвиж¬ ной воде частички взвеси осаждаются под действием силы гравитации. При вращении объема воды возникает центробежная сила, ускорение которой ац составляет V2 где v —■ линейная скорость частички, м/с; R — радиус вращения частички, м. Сущность осветления воды в гидроцик¬ лоне основана на отбрасывании частичек взвеси к периферии силой, равной раз¬ ности значений центробежной силы для твердой и жидкой фаз, возникающей при вращении объема воды. Величину этой силы Р, действующей на частичку и увлекающей ее в радиальном направле¬ нии от оси вращения, определяют по формуле Р = (Р — Ро) auw- При больших значениях v и малых R сила, действующая на частичку взвеси во вращающейся жидкости, будет зна¬ чительно превосходить скорость их свободного осаждения. Взвесь из воды поэтому может быть выделена за мень¬ шее время, чем в отстойниках. На этом принципе основано применение гидро¬ циклонов, которые бывают напорными и открытыми (безнапорными). Воду подводят в верхнюю часть гидро¬ циклона тангенциально (см. рис. 7.16). Вращаясь, она движется к сливному патрубку 4, расположенному коакси- ально корпусу гидроциклона в его цент¬ ре. Взвесь отбрасывается к стенке гид¬ роциклона и по ней опускается вниз, в конус. Через насадку в нижней части конуса взвесь непрерывно удаляется в канализацию. Изготовляют гидроциклоны двух мо¬ дификаций г: литые нефутерованные диа¬ метром от 50 до 500 мм и футерованные каменным литьем или шлакоситаллом диаметром от 150 до 2000 мм. Угол ко¬ нусности всех гидроциклонов состав¬ ляет 20°. . 1 Завод-изготовитель —■ Уфимский завод гор¬ ного оборудования (УЗГО). 105 Рис. 7.16. Схема напорного гидроциклона конструкции Уфимского завода горного оборудования: /—сменная насадка для вы¬ пуска осадка; 2 — конус; 3 — корпус; 4 — питающее отвер¬ стие; 5 — сливной патрубок; 6 — сменные вкладыши пита¬ ющего отверстия; D — диа¬ метр циклона.
О ■ 0,05 0,to 0,15 0,го 0,25 Потеря напора, МПа Рис. 7.17. Зависимость эффективности гидроциклонов от потери в них напора. Производительность гидроциклона Q можно определить по формуле Q = ЗбООацрШ V^rKH, где а — коэффициент, учитывающий по¬ терю части воды с осадком (принимается равным 0,85—0,90, большие значения — для меньшего диаметра насадки); цг = = 0,24 d/dn — коэффициент расхода во¬ ды через гидроциклон; w — площадь жи¬ вого сечения питающего отверстия, м2; АН — потеря напора в гидроциклоне, м; d — диаметр сливного патрубка, см; dn — эквивалентный диаметр питающего от¬ верстия, см. Чем меньше диаметр гидроциклона, тем выше (при одинаковом напоре) его эффективность (рис. 7.17). Поэтому для осветления воды, содержащей высоко¬ дисперсные взвешенные вещества, при¬ меняют гидроциклоны малого диаметра. Если в одном аппарате установлен ряд гидроциклонов одинакового диаметра, то он называется мультициклоном (рис. 7.18). Выполняют мультициклон в виде стального резервуара 5, разделяемого плитами 4 и 7 на три отсека. Загрязнен¬ ную воду по трубопроводу 6 подают в средний отсек 2, откуда она поступает через питающие патрубки в гидроцикло¬ ны 9. После осветления вода из гидроцик¬ лонов через сливные патрубки отводится в верхний отсек 3, а из него подается потребителю. Осадок из конусных наса¬ док гидроциклонов через нижний отсек 1 и грязевик 8 спускается в канализацию. На рис. 7.19 представлен гидроциклон диаметром 15 мм, изготовленный из пластмассы карболита. Производитель¬ ность мультициклона диаметром 1 м, состоящего из 320 таких гидроциклонов, составляет около 500 м3 воды в сутки. Расчет гидроциклонов производят в такой последовательности. В соответ¬ ствии с заданной глубиной осветления воды по кривой осаждения взвешенных веществ определяют расчетную гидрав¬ лическую крупность частичек. Затем по графику, приведенному на рис. 7.17, определяют диаметр гидроциклона. Тех¬ нико-экономическим расчетом устанав¬ ливают его окончательный размер. Гидроциклоны по сравнению с отстой¬ никами обладают следующими преиму¬ ществами: при одинаковом эффекте осветления воды удельная производи¬ тельность гидроциклонов во много раз больше, чем отстойников; удаление шла¬ ма из гидроциклонов не требует специ¬ ального оборудования; эффект осветле¬ ния воды в гидроциклонах повышается с увеличением на низ; «нагрузки по воде», что позволяет обходиться без резерва на случай ремонта; гидроциклонные ус¬ тановки могут создаваться с подъемом воды на одну ступень. 1 Рис. 7.18. Схема мульти¬ циклона. Рис. 7.19. Схема гидро¬ циклона. 106
Глава 8 ОСВЕТЛЕНИЕ ВОДЫ ВО ВЗВЕШЕННОЙ КОНТАКТНОЙ СРЕДЕ 8.1. Принципы работы осветлителей Впервые эффект осветления воды во взве¬ шенной контактной среде в СССР был установлен в 1930—1931 гг. на водопро¬ воде г. Ростова-на-Дону проф. С. X. Азерьером. В 1936 г. Е. Н.Тетер- киным (ВНИИ ВОДГЕО) была создана первая отечественная конструкция аппа¬ рата со взвешенной контактной средой, названная диффузором-осветлителем. Почти одновременно в США появилась конструкция осветлителя Сполдинга — «Пресипитатор». , Значительные исследования в области разработки теории, методов расчета и создания конструкций отечественных осветлителей проведены Е. Ф. Кургае- вым и Е. Н. Тетеркиным. В настоящее время в СССР и за рубе¬ жом созданы конструкции осветлителей, работающих более эффективно и произ¬ водительно, чем отстойники. Однако кон¬ струкция осветлителей со взвешенной контактной средой и их эксплуатация сложнее. Надежную работу осветлителей мож¬ но обеспечить только тогда, когда со¬ держащиеся в воде взвешенные и кол¬ лоидные частички неустойчивы и способ¬ ны к слипанию, т. е. после химической обработки воды. Осветлители применяют при содержа¬ нии взвешенных веществ в исходной воде до 1500 мг/л при любой ее цветности и любой производительности водоочист¬ ных станций. Схема осветлителя со слоем взвешенной контактной среды при¬ ведена на рис. 8.1. Воду, обработанную химическими ре¬ агентами, в осветлитель подают снизу. Равномерно распределяясь по его пло¬ щади, она поднимается вверх, проходит через взвешенную контактную среду, состоящую из твердых частичек, и осветляется. Частички контактной среды, распола¬ гаясь до 2/3—4/5 высоты от низа освет¬ лителя, поддерживаются во взвешенном состоянии гидродинамическим давлением восходящего потока и образуют с водой гетерофазную систему (псевдоожижен- ный слой), над которой движется очи¬ щенная вода. Твердые частички слоя, находясь по¬ стоянно в состоянии хаотического дви¬ жения (циркуляции) и образуя местные сгущения и разрежения, представляют собой так называемый «кипящий слой». Однако в целом весь слой неподвижен и находится в состоянии динамического равновесия, которое поддерживается благодаря равенству скорости восходя¬ щего потока и средней скорости осажде¬ ния^ частичек. Очень важным является то обстоятель¬ ство, что средняя скорость осаждения частичек во взвешенной контактной сре¬ де значительно меньше их гидравличе¬ ской крупности. Это характерно для стесненного осаждения — взаимного гидравлического влияния частичек. Таким образом, проходя через слой взве¬ шенной контактной среды, вода осветля¬ ется. Процесс осветления имеет физико¬ химическую природу, сущность его осно¬ вана на явлении контактной коагуляции. Т1р1Г^1Пэоте осветлителя величина час¬ тичек /взвешенной контактной среды по¬ стоянно изменяется. Происходит их сгу¬ щение вследствие слипания извлекаемых из воды примесей и разрежение под влиянием гидродинамического воздей¬ ствия потока. Поэтому при стабильном составе комплекса взвешенных восходя¬ щим потоком жидкости твердых частичек высота их слоя с увеличением скорости потока растет, а с уменьшением скорости верхняя граница слоя снижается. При этом объемная концентрация твердой фазы в слое изменяется обратно пропор¬ ционально его высоте. Поскольку при движении обработан¬ ной воды через взвешенную контактную Рис. 8.1. Схема освет¬ лителя со слоем взве¬ шенной контактной среды: / — зона взвешенной контактной среды; II — зона осветления; III — зона накопле- / иия и уплотнения осадка; / — подача воды в осветлитель; 2 — отвод уплотнен¬ ного осадка; 3 — от¬ вод осветленной во¬ ды. 107
среду в ней накапливаются загрязнения и объем слоя может увеличиваться, в современных конструкциях осветлите¬ лей предусмотрено непрерывное удале¬ ние избыточного осадка в осадкоуплот- нитель, где он уплотняется перед выпу¬ ском в канализацию. Осветленная вода через сборные жело¬ ба или трубы подается на фильтры. Нормальная работа осветлителей до¬ стигается при сохранении постоянства расхода воды и температуры. Резкое повышение расхода воды приводит к раз¬ мыву взвешенного слоя и выносу его частичек, изменение температуры — к образованию конвективных токов и к замутнению воды. Поэтому плавные ко¬ лебания расхода воды и температуры допускаются соответственно не более ± 15 % и ± 1 °С от расчетных в течение часа. 8.2. Свойства взвешенной контактной среды Расстояние между частичками во взве¬ шенной контактной среде может состав¬ лять несколько миллиметров, в то время как большинство удаляемых из воды при¬ месей имеет коллоидную или ионную степень дисперсности. Удаление приме¬ сей в условиях такой гетерофазной систе¬ мы происходит в результате сорбции и адгезии. При этом коллоидные взве¬ шенные примеси воды сближаются с час¬ тичками сорбента и под действием моле¬ кулярных сил прилипают к их поверх¬ ности или ранее осевшим на них частич¬ кам примесей. Свойства гетерофазной системы даже при небольшой объемной концентрации твердой фазы, составляющей 5—10 %, значительно отличаются от свойств жид¬ кой фазы. В гетерофазной системе ско¬ рость осаждения взвешенных частичек меньше, чем скорость падения отдель¬ ной частички в свободном объеме жид¬ кости. Это объясняется более высокой вязкостью II гетерофазной системы, ко¬ торую можно вычислить по формуле Мм Мд 1 -Ь 2 С0 1 + с0 1—с0 ОЬъемная концентрация, доли С0 Рис. 2. Зависимость соотношения Им/Ид от объем¬ ной концентрации С0 твердых частичек, вычислен¬ ной по формуле, приведенной на с. 108 (/) и по форму¬ лам: Эйнштейна (2); Гатчека (3); Ванда (4); Манлея и Ма- лона (5); Эйлерса (6). где (ад — динамическая вязкость жид- кого компонента гетерофазной системы, м2/с; |лм — молярная вязкость; Са — объемная концентрация твердой фазы в системе, %. Характер изменения вязкости гетеро¬ фазной системы с ростом объемной кон¬ центрации твердых частичек графически представлен на рис. 8.2. Плотность, прочность на сжатие и ско¬ рость осаждения взвешенных частичек возрастают при совместной обработке воды солями алюминия и железа и при наличии в воде механических примесей. Совместное введение коагулянтов рас¬ ширяет диапазон оптимальных для про¬ цесса коагуляции значений pH, а меха¬ нические примеси способствуют достиже¬ нию критической концентрации, необхо¬ димой для хлопьеобразования, что позволяет снизить дозу коагулянта. Эф¬ фект осветления воды и производитель¬ ность осветлителя при этом повышаются. Характер структурообразования из¬ меняется в результате адсорбции гидрок¬ сида алюминия на частичках механиче¬ ских примесей. На это указывает более быстрое увеличение плотности коагулян¬ та по сравнению с ростом в нем доли при¬ месей. При понижении температуры воды силы взаимного притяжения частичек взвеси уменьшаются, что является одной из причин снижения эффекта очистки воды. 108
О 0,2 0,4 0,6 1,0 1,2 1,4- 1,6 Мутностью/л Рис. 8.3. Зависимость условной скорости свобод¬ ного осаждения взвеси частичек от исходного содер¬ жания механических примесей в воде при коагулиро¬ вании ее Al2 (S04)8. Зависимость скорости свободного осаждения взвеси, сформированной при коагулировании примесей воды Al2 (S04)3 от исходного содержания ме¬ ханических примесей в воде при темпера¬ туре 20 °С, приведена на рис. 8.3. Вследствие диспергирования коагу¬ лянта увеличивается плотность взве¬ си, ухудшаются тиксотропные и адге¬ зионные свойства и условия последую¬ щей агломерации взвеси. Для изучения процессов, протека¬ ющих в аппаратах производственного масштаба, применяют метод моделирова¬ ния осветлителей. Моделированием ус¬ танавливают связь между размерами ап¬ паратов, скоростью движения и эффектом осветления воды, параметрами контакт¬ ной массы. Технологическое моделиро¬ вание процесса выполняют в вертикаль¬ ных колонках диаметром 100—150 мм, высотой 3000—4000 мм, оборудованных боковыми патрубками для отбора проб взвешенного осадка и осветленной во¬ ды. г По гидравлическим условиям поступ¬ ления осадка в осадкоуплотнитель освет¬ лители также разделяются на два типа: с естественным отбором (избыток шлама поступает в осадкоуплотнитель в силу разности плотностей жидкости в зоне взвешенного слоя и в осадкоуплотните- ле); с принудительным отсосом. Послед¬ ний тип осветлителя более эффективен в работе. Схема осветлителя с естественным отбором осадка приведена на рис. 8.4. Исходная вода через воздухоотделитель 1 по стояку 2 и системе труб 3 поступает в междудонное пространство 4, кото¬ рое одновременно является и камерой реакции; оттуда вода через отверстия в дырчатом дне 7 поднимается и проходит через слой взвешенного осадка 8. Избы¬ ток осадка попадает в центральный осад¬ коуплотнитель 6, откуда удаляется через трубу 5. Осветленная вода переливается в отводящий желоб 9. Примером осветлителя с принудитель¬ ным отбором осадка может служить диффузор-осветлитель Е. Н. Тетеркина (рис. 8.5). Смешанная с реагентами вода по трубе 1 через воздухоотдели¬ тель 2 подается в нижнюю часть осветли¬ теля и проходит, поднимаясь вверх, I ; -tX - . \ \ US ' / 111 ТГ‘7 Ц0 8.3. Конструкции и расчет осветлителей Основными условиями, определяющими нормальную работу осветлителей, явля¬ ются рациональная организация отвода шлама, распределение воды по сечению осветлителя и отвод осветленной воды. По месту расположения осадкоуплот- нителей различают осветлители с верти¬ кальными, с поддонными осадкоуплотни- телями и без осадкоуплотнителей (оса¬ док уплотняется в нижней части освет¬ лителя). Они выполняются открытыми или напорными. Рис. 8.4. Схема осветлителя с дырчатым распредели¬ тельным днищем. Рис. 8.5. Схема диффузора-осветлителя с вынесенным (а) и с периферийным (б) осадкоуплотнителем. 109
1 Рис. 8.6. Схема осветлителя конструкция ВНИИ ГС: / — подвод воды; 2 — отвод осветленной воды; 3 — отсоо осветленной воды из осадкоуплотнителя; 4 — отвод взвеси из контактной среды; 5 — дырчатое дно; € — распределительные трубы; 7 — осадкоуплотни- тель; 8 — удаление осадка 1 Рис. 8.7. Схема осветлителя конструкции ВНИИ ВОДГЕО: / — подвод воды; 2 — распределительные трубы; 3 — осадкоуплотнитель; 4 — удаление осадка; 5 — осадкоотводящие трубы: 6 — отсос осветленной воды из осадкоуплотнителя. через слой контактной среды 3. Освет¬ ленная вода по трубе 4 поступает на дальнейшую очистку. Избыток контакт¬ ной массы отводится непрерывно в осад¬ коуплотнитель 5 и удаляется по трубе 6. Применяют диффузоры-осветлители на станциях небольшой производительнос¬ ти. Они отличаются простотой конструк¬ ции, удобством ввода воды и реагентов и возможностью их использования как для коагулирования, так и для извест¬ кования воды. К недостаткам этих ос¬ ветлителей относятся: малый объем осадкоуплотнителя, ограничение угла конусности нижней части осветлителя (30—40°) и несовершенство условий от¬ вода избытка взвешенных частичек. Для равномерного распределения воды по сечению осветлителя (рис. 8.6) устроено дырчатое дно, под которым рас¬ положена система дырчатых труб. Од¬ нако такие дренажные системы быстро забиваются отложениями осадка, что приводит к ухудшению качества воды. Во ВНИИ ВОДГЕО сконструирован осветлитель (рис. 8.7) без нижней дре¬ нажной решетки и перфорированных труб для осветления воды на станциях производительностью более 5 тыс. м3/сут. Равномерное распределение потока воды по сечению осветлителя достигается по¬ степенным увеличением площади сече¬ ния его кольцевой конической части. Осадкоуплотнитель также имеет коль¬ цевую коническую форму и расположен под дном осветлителя. Осадок из осадко¬ уплотнителя удаляют через перфориро¬ ванную трубу, избыток взвешенных ве¬ ществ из контактной среды — принуди¬ тельным отсосом. На рис. 8.8 показан осветлитель с го¬ ризонтальной зоной осветления, приме¬ няемой на станциях большой произво¬ дительности. Он представляет собой пря¬ моугольный (в плане) резервуар и имеет размеры горизонтальных отстойников. Располагают его вне здания основного блока очистных сооружений. Первая половина осветлителя предназ¬ начена для хлопьеобразования, вто¬ рая — для осветления воды. Осветляе¬ мая вода из воздухоотделителя поступа¬ ет в распределительный канал 1, затем в водоприемный карман 2, в котором про¬ исходит распределение воды по спуск¬ ным трубам 3 к распределительным лот¬ кам 4. Пройдя слой взвешенной контакт¬ ной среды 5, вода через сборные желоба 6 и разделительную стенку 7 из-под отбойных щитов 8 поступает в зону осветления шлама 9. Осветленная вода из верхней части потока отводится жело- Рис. 8.8. Схема осветлителя с го¬ ризонтальной зоной осветления: 1 — распределительный канал; 2 — водоприемный карман; 3 — спускные трубы; 4 — распреде¬ лительные лотки; 5 — зона взве¬ шенной контактной среды; 6, Ю — сборные желоба; 7 — разделительная стенка; 8 — от¬ бойный щит; 9 — зона сепарации шлама: // — дырчатые трубы для удаления осадка. 110
бами 10, осадок из зоны его уплотне¬ ния — дырчатыми трубами 11. На рис. 8.9 приведен осветлитель кори¬ дорного типа с вертикальным осадкоуп- лотнителем, разработанный ГПИ «Союз- водоканалпроект». Применяется он на станциях большой производительности для осветления и обесцвечивания при¬ родных вод с большой мутностью. Осветлители такого типа представляют собой прямоугольные (в плане) железо¬ бетонные резервуары, разделенные пе¬ регородками на коридоры. Между дву¬ мя секциями со взвешенным осадком расположен вертикальный осадкоуплот- нитель с принудительным отсосом осад¬ ка. Для распределения воды по длине коридоров, сбора осветленной воды в осадкоуплотнителе и для удаления осад¬ ка применяются перфорированные тру¬ бы. С целью повышения технологических показателей работы коридорных освет¬ лителей над дренажной системой освет- лительной камеры помещают специаль¬ ную контактную загрузку из кварцевого песка в количестве примерно 12 кг/м2 осветлителя. Необходимо, чтобы песок (крупностью 0,10—0,25 мм) во время работы осветлителя находился во взве¬ шенном состоянии. Производительность осветлителя при этом можно повысить на 15—20 %. В рассмотренных конструкциях освет¬ лителей вода смешивается с реагентом до поступления ее в аппарат. Непосред¬ ственно подавать реагенты в контактную среду в рассмотренных осветлителях невозможно. Для очистки воды с одновременным ее умягчением и обескремниванием в ЦНИИ МПС разработаны осветлители с непрерывной продувкой выносного осадкоуплотнителя и осветлители с пе¬ риодическим выпуском осадка из цент¬ рально расположенного осадкоуплотни¬ теля. Воду в эти осветлители подают снизу через систему горизонтально рас¬ положенных сопел, где она приобрета¬ ет вращательное движение. Реагенты вводят непосредственно в осветлитель. Это создает благоприятные условия для формирования взвешенной контактной среды и протекания физико-химических процессов при удалении из воды приме¬ сей. Нижняя часть осветлителя устрое¬ на в виде кольцевого конуса. Осадок из 4 J Рис. 8.9. Схема осветлителя коридорного типа: / — подвод воды к перфорированным распределитель¬ ным трубам; 2 — удаление осадка; 3 — осадко-уплот- нитель; 4 — отвод осветленной воды. Рис. 8.10. Схема осветлителя ЦНИИ-1А: / — подвод воды; 2 — ввод реагентов; 3 — отвод из¬ бытка взвеси из контактной среды; 4 — дренажная решетка; 5 — выход очищенной воды; 6 — отсос очи¬ щенной воды из осадкоуплотнителя; 7 — осадкоотво¬ дящие трубы; 8 — осадкоуплотннтель; 9 — удаление осадка; 10 — бункер для удаления крупных кристал¬ лических формаций. осветлителя отводят высотной системой окон. Схема осветлителя ЦНИИ МПС про¬ изводительностью до 10 тыс. м3/сут представлена на рис. 8.10. Их можно устраивать внутри и вне здания. В пос¬ леднем случае стенки осветлителей утеп¬ ляют, а над верхней их частью устраива¬ ют шатер. В некоторых конструкциях осветлите¬ лей слой шлама перемешивается меха¬ нической мешалкой. Например, в широ¬ ко известном за рубежом акселаторе (рис. 8.11) обрабатываемая вода и реа¬ генты подаются в первую зону реакции, 111
Рис. 8.11. Схема акселатора: / — подача сырой воды; 2 — зона обрат¬ ного потока; 3 — первая зона реакции; 4 — пропеллерная мешалка; 5 — осадко¬ уплотнитель; 6 — зона взвешенной кон¬ тактной среды; 7 — зона осветления; 8 —> сборные желоба; 9 — подача реагентов; 10 — вторая зона реакции. Рис. 8.12. Схема пресипитатора: / — автоматическое удаление ила; 2 — дрены; 3 — механическая камера реакции; 4 — мешалки; 5 — трубы для подачи ре¬ агентов; 6 — труба для подачи воды; 7 — отводящий желоб; 8 — труба для отвода воды; 9 — зона взвешенной контактной среды; 10 — осадкоуплотнитель. где начинается процесс хлопьеобразова¬ ния при контакте с ранее образовавши¬ мися хлопьями. Мешалка подсасывает взвешенный осадок вместе с обрабаты¬ ваемой водой во вторую зону реакции, а затем вода с хлопьями поступает в зо¬ ну взвешенного осадка, где процесс контактной коагуляции заканчивается. Основная часть осадка возвращается в первую зону реакции, т. е. непрерывно циркулирует. Избыточный шлам направ¬ ляется в осадкоуплотнитель, занимаю¬ щий часть периферии акселатора, от¬ куда удаляется периодически или непре¬ рывно. Пресипитатор (рис. 8.12) по устройст¬ ву и принципу действия близок к оте¬ чественным типам осветлителей. Вода подается в механическую камеру реак¬ ции, а затем в рабочую камеру осветли¬ теля, проходит через слой взвешенного осадка и по сборным желобам поступает в отводящую трубу. В некоторых осветлителях США вода по их сечению распределяется вращаю¬ щейся дренажной системой, устраиваемой в виде труб с отверстиями или соплами. Осветлители ГДР и ЧССР (рис. 8.13, 8.14) отличаются устройством централь¬ ных камер хлопьеобразования с механи¬ ческим перемешиванием. Реагенты вво¬ дятся непосредственно в камеры, осадок удаляется скребковыми устрой¬ ствами. Малые объемы зоны сбора и уп¬ лотнения осадка требуют устройства вне осветлителя отстойников для обез¬ воживания и уплотнения осадка. Расчет осветлителей производят с уче¬ том годовых колебаний качества воды в источнике водоснабжения. Скорость восходящего потока воды в зоне освет¬ ления принимают по сезону наименьшего содержания взвешенных веществ в об¬ рабатываемой воде с учетом уменьшения ее расчетного расхода в холодное время года. Коэффициент распределения К между зонами осветления и отделения осадка определяют для периода с боль¬ шей величиной расчетного расхода воды и соответствующего этому сезону макси¬ мального содержания взвешенных ве¬ ществ в воде. Площадь зоны осветления FOCB опре¬ деляют по формуле F = осв 3,6иосв * 112
Рис. 8.13. Схема осветлителя «рецирку¬ лятора» (ГДР): / — подвод воды; 2 — сборные желоба; 3 — подвод реагентов: 4 — воздухоот¬ делитель; 5 — зона взвешенной кон¬ тактной среды; 6, 7 — вторичная и пер¬ вичная камеры реакции; 8 — осадко- уплотнитель. Рис. 8.14. Схема осветлителя конструк¬ ции Бинара и Вельского (ЧССР): 1,2 — первичная и вторичная камеры реакции; 3 — сборные желоба; 4 — при¬ вод мешалки камеры реакции; 5 — при¬ вод скребкового механизма; 6 — подвод воды; 7 — подвод реагентов; 8 — скреб¬ ковый механизм; 9 — осадкоуплотни- тель. где К — коэффициент распределения (принимают по таблице СНиП); q — рас¬ четный расход воды, м3/ч; иосв — ско¬ рость восходящего потока воды в зоне осветления (принимают по таблице СНиП), мм/с. Площадь зоны отделения осадка Fотд определяют по формуле (\~К)д отд 3,taUocB ’ где а — коэффициент снижения скорости восходящего потока воды в зоне отде¬ ления осадка в осадкоуплотнителе по сравнению со скоростью в зоне осветле¬ ния (принимают равным 0,9). Число осветлителей определяют при условии, чтобы площадь одного осветли¬ теля не превышала 100—150 м2. Высоту слоя взвешенной контактной среды принимают 2—2,5 м (от нижней кромки осадкоприемных окон до нижней части зоны взвешенной контактной сре¬ ды), угол между наклонными стенками нижней части зоны взвешенной контакт¬ ной среды — 60—70°. Высоту зоны ос¬ ветления задают 2 м для мутных и 2,5 м — для цветных вод. Осадок из осадкоуплотнителя удаляют периодически без прекращения работы осветлителя. Воду по площади осветли¬ теля распределяют дырчатым коллекто¬ ром (скорость движения воды на входе в коллектор 0,5—0,6, скорость выхода воды из отверстий — 1,5—2 м/с). Эффективность работы осветлителей можно увеличивать искусственным по¬ вышением концентрации в исходной воде твердой фазы, дегазацией раствора коа¬ гулянта, использованием окислителей и сорбентов, автоматизацией их работы. 8.4. Эксплуатация осветлителей Нормальная работа осветлителей зави¬ сит от создания для их работы опти¬ мальных химических, физических, гид- 113
равлических и специальных технологи¬ ческих условий. К химическим условиям относятся: пра¬ вильный выбор реагентов для обработки воды, точность их дозирования, своевре¬ менное изменение расхода реагентов в соответствии с качеством исходной и очищенной воды, регулирование рас¬ хода реагентов пропорционально произ¬ водительности осветлителя, бесперебой¬ ность подачи реагентов в осветлитель, организация химического контроля про¬ цесса подготовки воды. Из физических условий наиболее важ¬ ное значение имеют температура воды и поддержание ее постоянства в освет¬ лителе. При повышении температуры воды улучшаются процессы ее осветле¬ ния, обесцвечивания, умягчения, обес- кремнивания и обезжелезивания, сокра¬ щается расход реагентов и продолжи¬ тельность процессов. В связи с этим в промышленном водоснабжении, особенно на предприятиях, имеющих отходы теп¬ лоты, в осветлители подается подогре¬ тая вода. Однако резкие колебания тем¬ пературы воды недопустимы вследствие возникновения местных восходящих то¬ ков, ухудшающих состав и параметры контактной среды. Постоянство темпера¬ туры воды должно обеспечиваться на¬ дежной системой подогрева и автомати¬ ческими регуляторами. К гидравлическим условиям относят¬ ся: скорость ввода воды в осветлитель и его производительность, расход во¬ ды в осадкоуплотнителе и режим про¬ дувки. Резкое изменение скорости вво¬ да воды в осветлитель приводит к нару¬ шению стабильности очистки воды при ее движении через взвешенную контакт¬ ную среду, к диспергированию и разру¬ шению последней. Увеличение произ¬ водительности вызывает временный рост объемной концентрации взвеси в верх¬ них слоях и уменьшение скорости стес¬ ненного осаждения частичек. Периоди¬ ческие изменения динамического рав¬ новесия контактной среды ухудшают качество очищенной воды в течение дли¬ тельного времени. Нормальная работа осветлителя в большой мере зависит от технологиче¬ ских условий подготовки воды: выбора места и последовательности ввода ре¬ агентов; регулирования состава, свойств и высоты контактной среды; отвода из¬ бытка взвеси в осадкоуплотнитель; ор¬ ганизации наблюдения за параметрами взвеси и правильного режима удаления осадка из осадкоуплотнителя. Необходимо постоянно следить, чтобы взвесь контактной среды имела опти¬ мальные параметры по гидравлической круиности, объемной и массовой кон¬ центрациям. С целью сокращения расхода воды на удаление осадка следует поддерживать высокую степень уплотнения послед¬ него. Глава 9 ОСВЕТЛЕНИЕ ВОДЫ ФИЛЬТРОВАНИЕМ 9.1. Теоретические основы очистки воды фильтрованием через зернистые материалы Завершающим этапом очистки воды от взвеси является фильтрование. Этот про¬ цесс осуществляется пропусканием воды через зернистые или другие материалы. При фильтровании воды, содержащей взвешенные вещества, через слой песка 1Г-Лли другого зернистого материала они 1 • могут отлагаться на поверхности фильт¬ рующего слоя (пленочное фильтрование); в порах фильтрующего слоя; одновремен¬ но на поверхности и в порах загрузки. В процессе пленочного фильтрования взвешенные вещества, отлагаясь на по¬ верхности фильтрующего слоя, образуют дополнительный фильтрующий слой. Этот слой способен задерживать высоко¬ дисперсную взвесь, однако его гидрав¬ лическое сопротивление быстро увели¬ чивается и фильтр приходится часто выключать на промывку. Взвешенные вещества на поверхности фильтрующего слоя могут отлагаться в виде пленки при небольших (например, в медленных фильтрах) и при обычных скоростях фильтрования на скорых фи¬ льтрах, если через них пропускается вода, содержащая прочную взвесь.
KomJveanSo задержанных загрязнений, X ' о Ю 20 JO 40 50 60 70 Рис. 9.1. Зависимость глу¬ бины проникания загряз¬ нений в толщу фильтрую¬ щей загрузки от скорости фильтрования. Песок v'-бм/v v- I2m/v В большинстве случаев на скорых фильтрах пленка не образуется и взве¬ шенные вещества вместе с водой прони¬ кают в толщу фильтрующего слоя. С увеличением крупности зерен загрузки и скорости фильтрования глубина про¬ никания загрязнений возрастает (рис. 9.1, 9.2). Адгезия или сорбция скоа- гулированных частичек поверхностью зе¬ рен фильтрующего слоя зависит от заряда частичек взвеси и их размеров. Если взвесь стабилизирована и имеет большой заряд, одноименный с зарядом поверхности фильтрующего слоя, в по¬ рах фильтрующего слоя она задержи¬ вается плохо. На скорых фильтрах при фильт¬ ровании воды сверху вниз чаще всего происходят одновременно два процес¬ са — задержание части взвешенных ве¬ ществ в пленке на поверхности фильт¬ рующего слоя и проникание их в толщу фильтра. Процесс осветления фильтруемой сус¬ пензии — результат двух противополож¬ ных процессов: адгезии задерживае¬ мых частичек к макроповерхности и отрыва ранее прилипших частичек и переноса их гидродинамическими си¬ лами потока. В каждом элементарном слое загрузки вода осветляется до тех пор, пока силы отрыва частичек не начинают превалировать над силами адгезии или аутогезии (взаимодействия между ча¬ стичками в прилипшем слое). Накопление осадка в зернистом слое приводит к увеличению сил отрыва частичек. При очистке воды процесс фильтрования важен в той стадии, ког¬ да прилипание частичек превалирует над их отрывом. Величина силы адге¬ зии в водной среде определяется в ос¬ новном межмолекулярным взаимодей¬ ствием соприкасающихся тел; она на несколько порядков ниже, чем сила адгезии в воздухе. Кроме того, в вод¬ ной среде возникают силы отталкива¬ ния, обусловленные свойствами послед¬ ней. Силы адгезии зависят от свойств во¬ ды и соприкасающихся поверхностей. Если последние резко различаются по смачиваемости, то адгезия минимальна. В водной среде она достигает макси¬ мального значения при одинаковой гид- рофильности или гидрофобности поверх¬ ностей. Однако слипание гидрофобных поверхностей больше, чем гидрофильных. Силы отталкивания, появляющиеся в водной среде, обусловлены расклини¬ вающим действием тонкого слоя жид¬ кости, находящегося между поверхно¬ стями соприкасающихся тел. Расклини¬ вающее действие таких слоев объясняет¬ ся отличием их термодинамического и химического потенциалов от потенциа¬ лов объемной фазы. Отрыв частички под действием водно¬ го потока происходит в случае, если сила Forp превышает силу адгезии Fan и массу частичек Р, т. е. ^отр^И^ад + Р). где —сила трения. ЕСЛИ Fад Р, TO Fотр Ja/*'ад. Сила воздействия потока на частичку зависит от плотности и вязкости среды, диаметра частичек, скорости потока и условий обтекания прилипших частичек потоком. 115
Д. М. Минц установил, что изменение концентрации взвеси в воде при фильтро¬ вании ее через зернистый слой опреде¬ ляется уравнением С/С0 = f (X, Т), где С — концентрация взвеси в воде в данный момент времени /; С0 — кон¬ центрация взвеси в исходной воде; X и Т — критерии подобия процесса X = bx; Т = at, где х —толщина зернистого слоя; t — время, прошедшее от начала процесса; b и а параметры процесса, определенные методами теории размерностей: Ь = (5 vs'dXl; а = a где v — скорость фильтрования; d — диаметр зерен загрузки; р и а — коэф¬ фициенты, учитывающие совокупное влияние физических и физико-химиче¬ ских свойств воды и взвеси; отсюда X = pti Т = ave'Jdx4. Для процессов, протекающих при фильтровании воды на фильтрах с раз¬ личной нагрузкой и скоростью фильтро¬ вания, коэффициенты |3 и а будут оди¬ наковыми и могут не учитываться в расчетах. В таких случаях критерии подобия имеют вид X' = vs'dW, Т’ = vE'dx4. Обработкой большого количества эк¬ спериментальных данных установлено, что показатели степени при v и d в широ¬ ком диапазоне изменения скоростей фильтрования и размеров зерен загрузки при разнообразном составе фильтруемой воды практически не изменяются и со¬ ставляют: ех = —0,7; е2 = 1,0; A,j = = -1,7; 12 = -1,0. Таким образом, ь = I V X' = v Г = v ~d tv ~d Подставив в это уравнение выражения для X' и Т', получим формулу для опре¬ деления продолжительности защитного действия зернистой загрузки t3: 1 К' L = - * X'0d\ , v°-7d1-7 V ) Ь (х *0 \ а \ ь )’ где Х0 и К — константы, зависящие только от С/С0 и принимаемые по со¬ ставленным Д. М. Минцем диаграммам; b —параметр, характеризующий ин¬ тенсивность прилипания; Ыа — пара¬ метр, характеризующий скорость про¬ никания хлопьев в глубь загрузки (эта скорость уменьшается с увеличением прочности хлопьев). Как следует из формулы, продолжи¬ тельность защитного действия загрузки возрастает с увеличением толщины слоя и прочности осадка и уменьшается с уве¬ личением скорости фильтрования и раз¬ меров зерен загрузки. Продолжительность работы фильтра до момента достижения предельной по¬ тери напора Япр определяется по форму¬ ле /„ = ■ н, пр H0F (А) х, Из уравнения С/С0 — f (X, Т) следует, что при С/С,, = const между критерия¬ ми X и Т должна существовать одноз¬ начная зависимость. Экспериментально установлено, что эта зависимость имеет вид X' = К'Т' + Х'0. где #0 — потеря напора в чистой за¬ грузке; F (Л) = h/t • b/ai0 (h = Япр — — #0; hit — темп прироста потери на¬ пора в фильтре; г„ — гидравлический уклон в чистой загрузке). Определив методом технологического моделирования процесса фильтрования параметры b и а, параметры фильтрова¬ ния (и, d, х) подбирают так, чтобы про¬ цесс протекал в условиях оптималь¬ ного режима. Критерием оптимальности процесса служит соотношение между t3 и tH. В те¬ хнологическом и экономическом отноше¬ нии оптимальным является режим, при котором tn = t3. Однако, с точки зре¬ ния санитарной надежности, t3 должно быть несколько больше, чем tH. Поскольку подбор загрузки фильтра и выбор скорости фильтрования прово¬ дится обычно для какого-то определен¬ ного (среднего или характерного для данных местных условий) случая, то изменение физико-химических свойств И 6
воды источника или технологического режима водоочистной станции (например, изменение дозы коагулянта) приводит к изменению свойств фильтруемой сус¬ пензии и тем самым свойств образую¬ щегося в порах загрузки осадка. Это в свою очередь вызывает отклонение от оптимального режима фильтрования. Эффективным методом ведения фильт¬ рования в оптимальном режиме являет¬ ся воздействие на адгезионные свойства фильтруемой взвеси и свойства отложе¬ ний в зернистой загрузке. Способность флокулянтов увеличивать плотность и прочность хлопьев гидрок¬ сидов позволяет использовать их для направленного регулирования указан¬ ных свойств и, следовательно, оптими¬ зации режима фильтрования. Практи¬ чески это достигается введением опреде¬ ленной дозы флокулянта непосредственно перед фильтрующей загрузкой. 9.2. Классификация фильтров, фильтрующие материалы В зависимости от фильтрующего слоя различают следующие виды фильтров: зернистые (фильтрующий слой — квар¬ цевый песок, дробленый антрацит, ке¬ рамзит, пенополистирол, магномасса и др.); сетчатые (фильтрующий слой — сетка с размером ячеек 40 мкм); ткане¬ вые (фильтрующий слой — хлопчато¬ бумажные, льняные, суконные, стек¬ лянные или капроновые ткани); намыв¬ ные (фильтрующий слой — древесная му¬ ка, диатомит, асбестовая крошка и дру¬ гие материалы, намываемые в виде тон¬ кого слоя на каркас из пористой кера¬ мики, металлической сетки или синтети¬ ческой ткани). Зернистые фильтры применяют для очистки хозяйственно-питьевой и тех¬ нической воды; сетчатые —для задер¬ жания низкодисперсных взвешенных и плавающих частичек; тканевые — в по¬ левом водоснабжении; намывные — для очистки маломутных вод на станциях небольшой производительности (для по¬ селков, пионерских лагерей, плаватель¬ ных бассейнов и т. д.). Для очистки воды в Коммунальном и промышленном водоснабжении наи¬ более широко применяются зернистые фильтры. По скорости фильтрования1 их разделяют на медленные (скорость фильтрования 0,1 —0,2 м/ч), скорые (5,5— 14 м/ч) и сверхскорые (>25 м/ч). В зависимости от крупности зерен фильтрующего слоя зернистые фильтры разделяют на мелкозернистые (например, медленные фильтры с размером зерен верхнего слоя песка 0,3—1 мм), средне¬ зернистые (например, скорые фильтры с размером зерен верхнего слоя песка 0,5—0,8 мм) и крупнозернистые (в част¬ ности предварительные фильтры с разме¬ ром зерен верхнего слоя песка 1—2мм). Если загрузка фильтрующего слоя од¬ нородна по плотности и отличается только крупностью зерен, то такие ти¬ пы фильтров называются однослойными (например, скорые фильтры с загрузкой из кварцевого песка). Фильтры, загру¬ женные неоднородной загрузкой по плот¬ ности и размеру зерен, называются мно¬ гослойными (например, двухслойные ско¬ рые фильтры, в которых нижний слой — кварцевый песок, верхний —антрацит). Зерна фильтрующей загрузки харак¬ теризуются эффективной величиной зерен и коэффициентом неоднородности. Эф¬ фективная величина зерен для песка соответствует калибру2 сита, через ко¬ торое проходит 10 % данного песка. Коэффициентом неоднородности Кн на¬ зывается отношение 80 %-го калибра песка к 10 %-му (К„ = dm/d10). Обыч¬ но это отношение принимают равным 1,5—2. Данные, необходимые для харак¬ теристики песка, получают ситовым ана¬ лизом, основанным на рассеве высу¬ шенного образца средней пробы на ка¬ либрованных ситах и определении про¬ цента материала, оставшегося на каждом сите. По данным ситового анализа строят график гранулометрического состава пес¬ ка (рис. 9.3). В качестве критерия загрузки, отра¬ жающего содержание всех фракций, ино¬ гда используют эквивалентный диаметр зерен d3, определяемый по формуле d3 — 100 l~ZpildK, 1 Скорость фильтрования представляет со¬ бой частное от деления количества очищаемой воды за единицу времени на площадь поверхнос¬ ти фильтрующего слоя. 2 Калибр сита — диаметр шара, равного по объему наиболее крупным песчинкам, прохо¬ дящим через данное сито. 117
Рис. 9.3. Гра¬ фик грануло¬ метрического состава песка. =§ 0 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Кашбр сшп ,т где р( — процент зерен загрузки, ос¬ тавшихся на сите с калибром dK. Для песка, ситовой анализ которого представлен на рис. 9.3, средний диа¬ метр зерен составляет 0,6 мм, коэффи¬ циент неоднородности 0,83/0,48 = 1,73, эквивалентный диаметр зерен — 0,57 мм. Механическую прочность фильтрую¬ щих материалов характеризуют исти¬ раемостью и измельчаемостью. Эти по¬ казатели определяют так 100 г иссле¬ дуемого материала с размером частичек 0,5—1,0 мм помещают в банку со 150 мл воды и встряхивают на лабораторной машине в течение 24 ч. Процент истирае¬ мости определяется массой материала, прошедшего через сито с отверстиями 0,25 мм, а процент измельчаемости — мас¬ сой его частичек, прошедших через сито с отверстиями 0,50 мм и оставшихся на сите с отверстиями 0,25 мм. Механи¬ ческую прочность материала считают удовлетворительной, если его истирае¬ мость не превышает 0,5, а измельчае- мость — 4 % Химическую стойкость определяют, помещая по 10 г отмытого и просушенно¬ го при 60 °С фильтрующего материала в три колбы, содержащие по 500 мл дис¬ тиллированной воды. В одну колбу до¬ бавляют 250 мг NaCl (нейтральная сре¬ да), в другую — 100 мг NaOH (щелоч¬ ная среда) и в третью — 100 мг НС1 плотностью 1,19 г/см3 (кислая среда). После 24 ч контакта и взбалтывания через каждые 4 ч содержимое колб от¬ фильтровывают и в фильтрате опреде¬ ляют содержание растворенного остат¬ ка, кремниевой кислоты, а также его окисляемость. Параллельно прово¬ дят опыты с аналогичными средами без исследуемого материала. При удов¬ летворительной химической стойкости материала прирост массы растворенно¬ го остатка не должен превышать 20, окисляемости и массы кремниевой кис¬ лоты — 10 мг/л. Из инертных материалов наиболее распространен кварцевый песок, кото¬ рый до загрузки отмывается на спе¬ циальных пескомойках и сортируется. Он соответствует требованиям механи¬ ческой прочности и, как правило, удов¬ летворяет условиям химической стой¬ кости. Его используют на скорых фильт¬ рах, двухпоточных фильтрах конструк¬ ции АКХ и контактных осветлителях. Аналогичную механическую прочность и химическую стойкость имеет и дроб¬ леный антрацит. Исследование дробленого антрацита в качестве фильтрующего материала по¬ казало, что при одинаковых эффектив¬ ных диаметрах зерен и близких ко¬ эффициентах неоднородности объемная масса антрацита меньше, а пористость больше, чем песка. Грязеемкость антра¬ цитового фильтра превышает грязеем- кость песчаного на 13—14 %, а интен¬ сивность промывки при 50 %-м расшире¬ нии в два раза меньше. Потери напора на антрацитовом фильтре примерно на 16 % меньше, чем на песчаном. Благодаря высоким фильтрующим ка¬ чествам антрацит является перспектив¬ ным фильтрующим материалом и в на¬ стоящее время широко применяется для загрузки фильтров. Фильтрующие загрузки располагают¬ ся на поддерживающих слоях гравия или щебня. Размер зерен поддерживаю¬ щих слоев в зависимости от устройства фильтра и условий фильтрования по¬ степенно увеличивается от 2—5 до 20— 40 мм. Толщина отдельных слоев и их количество определяются размером зерен гравия и типом фильтра. Под¬ держивающие материалы должны быть устойчивыми против измельчения и ис¬ тирания, химически стойкими, должны содержать не более 10 % частичек из¬ вестняка. В качестве фильтрующих зернистых загрузок могут использоваться и дру¬ гие материалы: стеклянная, фарфоро¬ вая и керамическая крошка, песок из керамзита, аглопорита зольного, до¬ менного шлака, шлаковой пемзы. Исследования доменного шлака по¬ казали, что его фильтрующие свойства и пористость выше, чем песка, однако 118
по механической прочности он уступает последнему. Из активных фильтрующих материа¬ лов за рубежом широко применяют¬ ся мраморная крошка и магномасса (при стабилизационной обработке воды), ак¬ тивированный уголь (для удаления прив¬ кусов и запахов), а также диатомиты (аморфный кремнезем). В состав природ¬ ного кремнезема входит 74—75 % крем¬ ниевой кислоты, 15—16 % полуторных оксидов, 3—4 % СаО и MgO. Диатомит имеет малую прочность, аморфное строе¬ ние, легко истирается и дробится, поэ¬ тому он используется в основном для очистки воды в больших коммунальных домах, плавательных бассейнах и т. д. По давлению, под которым работают фильтры, они делятся на безнапорные (открытые) и напорные; по направлению перемещения фильтрующего потока — на одно-, двух- и многопоточные. При пропускании через фильтр воды фильтрующий слой постепенно загрязня¬ ется, в нем возрастает потеря напора и снижается при постоянном напоре скорость фильтрования. Уменьшение скорости фильтрования приводит к сни¬ жению производительности фильтра. Восстанавливают фильтрующую спо¬ собность фильтра промывкой. Для это¬ го подачу исходной воды прекращают и через дренажную (распределительную) систему подают воду (или воду и воз¬ дух) с большой интенсивностью. Интервал времени между двумя про¬ мывками называется филътроциклом. Он зависит от характера и количества ве¬ ществ, загрязняющих воду, крупности зерен и пористости фильтрующей загрузки, от скорости фильтрования. Время, в течение которого данная загрузка способна осветлять воду до заданных показателей, называется вре¬ менем защитного действия фильтрую¬ щей загрузки. Количество загрязнений, задерживае¬ мых в процессе фильтроцикла, называет¬ ся грязеемкостью фильтра. Основными исходными данными для проектирования фильтров являются: их полная и полезная производительность, продолжительность работы станции, ко¬ личество и качество поступающих на фильтры с водой по сезонам взвешенных веществ, требования к качеству отфиль¬ трованной воды, реагенты и их дозы (в прямоточных системах), время защит¬ ного действия фильтрующей загрузки и время достижения допустимой потери напора. 9.3. Фильтрование воды через сетки и ткани Микрофильтры и барабанные сетки применяются на станциях любой про¬ изводительности для предварительной очистки воды от механических приме¬ сей различной степени дисперсности: крупных механических примесей (ще¬ па, листья, стебли растений, семена); вы¬ сокодисперсных взвешенных веществ (пе¬ сок, ил); фито- и зоопланктона (сине-зеле¬ ные, диатомовые водоросли). Микрофильтры с размером ячеек ра¬ бочих сеток от 20 до 60 мкм (в соответст¬ вии с рекомендациями СНиП 2.04.02— 84) применяются для задержания планк¬ тона, если число клеток в 1 мл воды пре¬ вышает 1000. Барабанные сетки с размером ячеек ра¬ бочих сеток 500 X 500 мкм применяются для грубого осветления (процеживания) воды на водозаборах. Конструктивно они подобны микрофильтрам. Благодаря малым размерам ячеек мик¬ рофильтры способны задерживать до 25 % взвешенных веществ, до 75 % ди¬ атомовых и до 95 % сине-зеленых во¬ дорослей. Диаметр клеток водорослей в зави¬ симости от вида составляет от 5 до 70 мкм, колонии имеют диаметр от 80 до 260 мкм и более. Эти загрязнения воды можно было бы удалить непосредственно на основных очистных сооружениях, однако, перемещаясь по трубам, они вызывают появление неприятных запа¬ хов и привкусов (рыбный, затхлый), образование отложений (сплошных, дон¬ ных, бугристых), заболевания людей и животных кожными, аллергическими и желудочно-кишечными болезнями. Основным конструктивным элементом микрофильтров и барабанных сеток является сетКа.Диапазон размеров сто¬ рон ячеек рабочих сеток составляет 20—100 мкм. Поэтому сетчатые уста¬ новки могут выполнять роль как вспо¬ могательных, так и самостоятельных устройств. 113
Рис. 9.4. Конструк¬ ция микрофильтра и барабанной сетки (разрез). В качестве вспомогательных устройств они применяются, если необходимо по¬ высить надежность работы водоочистных и водопроводных сооружений и обору¬ дования (например, защитить насосы от попадания в них находящихся в воде крупных механических примесей, улуч¬ шить работу распределительных си¬ стем фильтров); улучшить технико-эко¬ номические показатели систем и уста¬ новок (снизить число промывок фильт¬ ров, уменьшить объем шлама в отстой¬ никах); уменьшить концентрацию за¬ грязнений в промывных водах; улуч¬ шить санитарное состояние водоемов (за счет выделения из воды фито- и зоо¬ планктона). В качестве самостоятельных устройств сетчатые установки применяются в си¬ стемах охлаждения оборудования, в обо¬ ротных системах отдельных производств, когда к воде предъявляются требования только по фракционному составу взве¬ шенных веществ и содержанию в ней планктона. На станциях осветления воды город¬ ских водопроводов микрофильтры ус¬ танавливаются перед смесителями. Во¬ да насосами первого подъема подается в приемную камеру, а оттуда на микро¬ фильтры. Сетки, применяемые в системах водо¬ снабжения, должны: 1) очищать воду до необходимых показателей и качест¬ венно регенерироваться; 2) иметь ми¬ нимальные значения потерь напора; 3) обладать требуемыми механической проч¬ ностью, химической, электрохимической и биологической стойкостью; 4) быть долговечными и недорогостоящими. В соответствии с этими требованиями в технологии очистки воды чаще применяются металлические сетки. На¬ дежность работы их зависит от состава примесей воды, области применения и др. При выборе металлических сеток для установок систем водоснабжения следует руководствоваться ГОСТ 3187—76 «Сет¬ ки металлические проволочные. Класси¬ фикация. Характеристика и основные предельные размеры». Материалом для изготовления сеток служат низко- и среднеуглеродистые, легированные, нержавеющие стали, медь, латунь и др. По виду покрытия сетки могут быть цельнопаянными, оцинко¬ ванными, окрашенными, лакированными, гуммированными. Неметаллические сетки и фильтроваль¬ ные ткани в технологии очистки воды имеют ограниченное применение. Тка¬ ни из натуральных волокон (хлопок, шерсть, лен) и синтетических материалов (капрон, нитрон, хлорин и др.) обладают большим гидравлическим сопротивле¬ нием, с их поверхности трудно удаляются загрязнения; натуральные волокна гиг¬ роскопичны, обладают анизотропными механическими свойствами. Однако они быстро стареют и теряют свои первона¬ чальные свойства. Асбестовые ткани имеют низкую механическую прочность, стеклоткани создают значительные гид¬ равлические потери. Основным элементом микрофильтра (рис. 9.4) является вращающийся бара¬ 120
бан со съемными фильтрующими элемен¬ тами 1 гравитационного типа, размещен¬ ный в бетонном (иногда в металлическом) резервуаре 8 прямоугольной формы. Барабан фильтра представляет собой 18-гранную призму со стенками, за¬ крытыми фильтрующими сетчатыми эле¬ ментами. В микрофильтрах они состоят из двух поддерживающих сеток с ячей¬ ками размером 2x2 мм, между которы¬ ми расположена рабочая фильтрующая сетка с ячейками 40 мкм, а в барабанных сетках — с ячейками 500 мкм. Воду фильтруют при остановленном барабане. Исходная вода из канала 2 по трубе 9 поступает внутрь барабана, проходит сквозь фильтрующие элементы, очищает¬ ся от механических примесей и отво¬ дится через проходы с шиберами 7 в сбор¬ ный канал 6. При засорении фильтрующих сеток и достижении максимального перепада уровней автоматически включаются про¬ мывное устройство 10 и электродвига¬ тель 3, вращающий барабан со ско¬ ростью 1,25—5,0 об/мин. Загрязненная сетка очищается при промывке ее отдельных участков очи¬ щенной водой, подаваемой из разбрыз¬ гивающего промывного устройства 10. Вода к промывному устройству подает¬ ся под напором 0,15—0,2 МПа. Расход воды на промывку микросеток в бара¬ банных сетках не должен превышать 0,5 %, в микрофильтрах — 1,5 % от количества воды, подаваемой на станцию. Наружная поверхность трубы, по ко¬ торой поступает очищаемая вода, слу¬ жит опорой одного из подшипников, на котором вращается барабан микро- сита. Опорой второго подшипника ба¬ рабана служит труба 4, через которую отводится загрязненная промывная во¬ да из водосборного лотка. Максимальный уровень воды внутри барабана 1 должен быть на 10 см ниже кромки воронки сбора промывной во¬ ды 5. Интенсивность фильтрования на мик¬ рофильтрах принимают из расчета 10— 25 л/с на 1 м2 полезной площади микро¬ сетки, погруженной в воду. Потери на¬ пора при процеживании воды на микро¬ сетке составляют около 0,2 м, а общие потери напора на установку не превы¬ шают 0,5 м. Линейная скорость вращения бара¬ бана не должна превышать 0,1 —0,3 м/с. Следует предусматривать периодичес¬ кую интенсивную промывку фильтрую¬ щих элементов с максимальным расхо¬ дом воды 5 %. При проектировании станций подго¬ товки воды с микрофильтрами и барабан¬ ными сетками предусматривают такое количество резервных агрегатов: при количестве рабочих агрегатов 1—5 ре¬ зервных 1, 6—10—резервных 2, 11 и более — резервных 3. В СССР выпускаются микрофильтры с диаметром барабана 1,5—3 м, длиной 1—4,5 м и производительностью 4— 45 тыс. м3/сут. По данным работы некоторых водо¬ очистных станций, благодаря установ¬ ке микрофильтров расход промывной во¬ ды на фильтрах уменьшился вдвое, расход коагулянта — в 2,5 раза, сни¬ зилась на 25 % потеря напора, фильтро- цикл удлинился на 25—40 %. В процессе эксплуатации микрофильт¬ ров и барабанных сеток необходимо обеспечивать поступление одинаковых количеств воды на каждый агрегат, следить за работой промывного устрой¬ ства, исправностью сетчатых элементов, привода и подшипников. Во избежание повреждения фильтрующих элементов при включении в работу камеру фильт¬ ров заполняют водой постепенно, ре¬ гулируя степень открытия задвижки или шибера. Профилактический ремонт фи¬ льтров ведут при минимальном содер¬ жании в исходной воде примесей и в пе¬ риоды наименьшей нагрузки. 9.4. Акустические сетчатые фильтры Акустические сетчатые фильтры при¬ меняются для предварительного освет¬ ления вод, содержащих высокодиспер¬ сные глинистые и другие взвеси круп¬ ностью более 20 мкм. При содержании в исходной воде до 6000 мг/л взвеси эффект осветления достигает 60 %. В результате создания упругих колебаний звукового диапазона частот электромаг¬ нитным вибратором в акустических фильт¬ рах происходит непрерывная регенера¬ ция фильтрующего элемента. Акустический фильтр (рис. 9.5) пред¬ ставляет собой круглый (в плане) резер- 121
Рис. 9.5. Схема акустического фильтра. вуар высотой 1,2—1,4, диаметром 0,4— 0,6 м, состоящий из металлического корпуса /, в котором расположены фильтрующий элемент 2 и сильфонные уплотнения 11 Фильтрующий элемент выполнен в виде перфорированного ста¬ кана из нержавеющей стали с располо¬ женными в шахматном порядке отвер¬ стиями диаметром 4—5 мм, обтянутого микросеткой с размером ячеек 100—125 мкм. Штоком 7 стакан соединен с пли¬ той 6, прикрепленной к корпусу элек¬ тромагнитного вибратора 5, который опирается на четыре пружины 8, вы¬ полняющие роль амортизатора. Обрабатываемая вода поступает в кор¬ пус фильтра / по трубе 4 со скоростью 80—150 м/ч, проходит через фильтрую¬ щий элемент, осветляется и отводится по трубе 9. В результате возвратно¬ поступательного движения фильтрующе¬ го элемента частички механических при¬ месей на сетке не осаждаются и не про¬ исходит ее кольматация. Под действием силы гравитации они постепенно осаж¬ даются в конусной части фильтра и че¬ рез систему оттарированных насадок 10 непрерывно отводятся в канализацию. Расход воды со шламом составляет 3— 5 % полезной производительности аку¬ стического фильтра. 9.5. Медленные фильтры Медмнные фильтры применяются для безреагентного осветления и частичного обесцвечивания воды поверхностных ис¬ точников, если цветность ее не превы¬ шает 50 град. По способу регенерации фильтрующей загрузки различают сле¬ дующие конструкции медленных фильт¬ ров: с удалением загрязненного слоя и отмывкой его вне фильтра; с отмывкой загрязненного слоя на фильтре при ме¬ ханическом рыхлении и смыве загряз¬ нений. При нормальной работе фильтров (по¬ сле образования фильтрующей пленки) достигается полное осветление воды, понижение цветности на 15—30 %, снижение количества бактерий (в том числе и кишечной палочки) на 95—99 %, уменьшение окисляемости примерно на 20—40 %, полное удаление аммиака, азотной кислоты, кислорода. Метод мед¬ ленного фильтрования обеспечивает вы¬ сокую степень очистки воды, не требует применения реагентов. Стоимость очист¬ ки воды в 3—5 раз меньше по сра¬ внению с реагентным методом на скорых фильтрах. , К недостаткам медленных фильтров относятся их значительная стоимость, непригодность для обработки высоко¬ цветных вод, трудоемкость очистки фи¬ льтрующей поверхности и большая площадь. Поэтому на отечественных водопроводах они мало распростра¬ нены. Медленные фильтры представляют со¬ бой железобетонные или кирпичные ре¬ зервуары прямоугольной или круглой (в плане) формы, открытые или закры¬ тые, заполненные фильтрующим мате¬ риалом — кварцевым песком, уложен¬ ным на поддерживающие слои с соответ¬ ствующей дренажной системой. Высоту слоя кварцевого песка принимают при его крупности, мм: 0,3...! — 500 мм; 1...2 и 2...5— по 50 мм; гравия или щебня при крупности 5...10 и 10... ..20 — по 50 мм; 20. 40—50 мм. Об¬ щая высота слоя загрузки — 750 мм. Медленные фильтры оборудуются дре¬ нажем из перфорированных труб, кир¬ пича или бетонных плит, уложенных с прозорами, рекомендуются также по¬ ристый бетон, керамические плиты и др. Конструктивное оформление медлен¬ ных фильтров и их расположение в общей схеме очистных сооружений за¬ висит от местных условий и состава 122
сооружений. В их конструкциях должны быть предусмотрены трубопроводы, обеспечивающие подачу чистой воды снизу вверх для наполнения фильт¬ ра перед пуском, сброс первого фильтра¬ та в канализацию, подачу осветляемой воды на фильтр сверху на уровне пес¬ ка во избежание его размыва. При эксплуатации медленных фильт¬ ров рекомендуется поддерживать сле¬ дующие скорости фильтрования: при содержании взвешенных веществ в ис¬ ходной воде до 25 мг/л для всех фильт¬ ров — 0,2 м/ч, при одном выключенном на очистку фильтре — до 0,3 м/ч, при содержании взвешенных веществ свы¬ ше 25 мг/л — соответственно 0,1 и 0,2 м/ч. Фильтры должны работать непре¬ рывно, по возможности без остановок в течение суток; выключать и включать их следует постепенно. Высоту слоя воды над поверхностью загрузки сле¬ дует принимать равной 1,5 м. Грязеемкость медленных фильтров за¬ висит от свойств взвеси, поступающей с водой. Обычно один раз за 10—30 сут после исчерпания грязеемкости их ос¬ танавливают для очистки, которая за¬ ключается в удалении верхнего загряз¬ ненного слоя песка толщиной 15—20 мм. При этом воду в фильтре опускают на 200—250 мм ниже поверхности песка, после чего снимают загрязнен¬ ный слой. После 10—15 очисток фильтр догружают промытым песком до начальной толщины фильтрующего слоя. Удаляют из медленного фильтра за¬ грязненный песок, а также догружают его чистым песком до проектной отмет¬ ки гидроконвейером, удаляемый песок помещают в бункер, откуда гидрокон¬ вейером подают на пескопромывной се¬ паратор — пескомойку. Если загрузку отмывают непосред¬ ственно в фильтре с механическим рых¬ лением и гидроуправлением загрязне¬ ний, ширина секций фильтров должна быть не более 6 м, длина — до 60 м. Каждая секция оборудуется трубопро¬ водами: для подвода воды (с поплавко¬ вым клапаном), для отвода фильтрата (с регулятором скорости фильтрации), для отвода промывных вод и для полно¬ го опорожнения секции. Воду для регенерации фильтрующей Рис. 9.6. Схема медленного самопромывающегося фильтра конструкции О. М. Айрапетова а — разрез; б — план; / — фильтр; 2 — шандоры; 3 — резервуар чистой воды; 4 — водоподъемная пло¬ тина; 5 — канал; 6 — гравий; 7 — песок крупностью 0,3—2,0 мм. загрузки подают специальным насосом или из бака. Расход воды W0 на смыв загрязнений с одной секции фильтра определяют по формуле wc = qcbtc, где qc — удельный расход воды на смыв загрязнений с полосы шириной 1 м (при¬ нимается равным 0,009 м3/с); b — шири¬ на секции, м; tc — длительность перио¬ да смыва загрязнений с одной полосы (принимается в пределах 8 мин), с. Из медленного фильтра конструкции О. М. Айрапетова загрязненный песок удаляют потоком воды, направленным вдоль фильтрующего слоя. Такой фильтр состоит из двух отделений (рис. 9.6), рас¬ положенных параллельно каналу (ары¬ ку). Водоподъемная плотина в канале направляет по лотку часть воды для ос¬ ветления на отделения фильтра, созда¬ вая при этом перепад уровня воды в канале 20—25 см. Прошедшая сквозь слой кварцевого песка вода отводится через дренаж по трубопроводу в резер¬ вуар чистой воды. При работе фильтров входные шандоры открыты, а выходные закрыты. Для смыва загрязнений с пес¬ ка закрывают задвижку на трубопро¬ воде отфильтрованной воды, а выход¬ ные шандоры приподнимают на 2—3 см над фильтрующей поверхностью; вход¬ ные шандоры, наоборот, прикрывают так, чтобы под их нижней кромкой осталась щель такой же высоты. При этом вдоль поверхности песка в фильтре возникает поток воды (из верхнего бьефа канала в нижний), движущийся со скоростью 123
0,25—0,30 м/с, который и смывает с по¬ верхности фильтрующего слоя загряз¬ нения. 9.6. Предварительные фильтры Предварительные фильтры (префильтры) рекомендуют использовать для предва¬ рительного осветления воды с мутностью Крупность зерен, мм 1—2 2—5 Высота слоя, мм 700 100 Число фильтров должно быть таким, чтобы можно было выключить на ремонт один фильтр (если общее число фильт¬ ров не превышает 10) или два фильтра (при большем их количестве). Скорость фильтрования воды в оставшихся в ра¬ боте фильтрах не должна превышать значений, рекомендованных для ско¬ рых крупнозернистых фильтров. Высоту слоя воды над поверхностью фильтрующего слоя в префильтрах при¬ нимают равной 1,5 м. Загрузку в них промывают потоком отфильтрованной во¬ ды, направленным снизу вверх. Распре¬ делительная система промывки должна обладать большим сопротивлением. Ин¬ тенсивность промывки следует прини¬ мать в пределах 12—14 л/(с • м2) в те¬ чение 6—7 мин. Промывную воду из пре- фильтров отводят по навесным желобам, верхнюю кромку которых располагают на 40—50 см выше фильтрующего слоя. Префильтры в районах с мягким кли¬ матом, а также в случаях, когда они эксплуатируются только в периоды па¬ водков или высокой мутности воды в источнике, можно располагать на от¬ крытом воздухе. При этом в здании раз¬ мещаются задвижки, регуляторы ско¬ рости фильтрования и пульты управле¬ ния; необходимо также предусматривать возможность полного сброса воды из префильтров и трубопроводов в зимний период. 9.7. Крупнозернистые фильтры Крупнозернистые фильтры применяют для частичного осветления воды, исполь¬ зуемой для производственных целей, с коагуляцией или без нее. Количество свыше 50 мг/л перед подачей ее на мед¬ ленные фильтры. Скорость фильтрования воды на них поддерживают в зависимости от ее мутности в пределах 3—5 м/ч. Если мутность воды не превышает 100 мг/л, то скорость фильтрования принимают равной 5 м/ч. При большей мутности ее уменьшают. Рекомендуются такие крупность зерен и высота слоя загрузки префильтров: 5—10 10—20 20—40 100 100 150 задерживаемой фильтрами взвеси без коагуляции составляет 50—70 % со¬ держащихся в воде загрязнений, с коа¬ гуляцией — остаточная мутность до¬ стигает 3—5 мг/л. Загружают крупнозернистые фильтры кварцевым песком или другими материа¬ лами, обладающими необходимой меха¬ нической прочностью и химической стой¬ костью. При размере зерен песка 1— 2 мм высота слоя загрузки составляет 1,5—2 м, скорость фильтрования 10— 12 м/ч, при размере 1,6—2,5 мм — со¬ ответственно 2,5—3 м и 13—15 м/ч. Грязеемкость крупнозернистых филь¬ тров благодаря применению загрузки большой крупности значительно воз¬ растает, а расход промывной воды умень¬ шается. Однако с увеличением диаметров зерен фильтрующего слоя снижается его задерживающая способность, что обусловливает необходимость увеличе¬ ния толщины слоя. Для промывки крупнозернистых фильтров применяют дренажные систе¬ мы, способные подавать воду и воздух. При расчете и конструировании этих систем исходят из следующего режима промывки фильтра: взрыхление фильт¬ рующей загрузки воздухом с интенсив¬ ностью 15—25 л/(с • м2) — 1 мин; водо¬ воздушная промывка — 3,5—5 л/(с -м2) воды, 15—25 л/(с м2) воздуха — 5 мин; отмывка водой с интенсив¬ ностью 7—9 л/(с • м2) — 3 мин. Площадь крупнозернистых фильтров F определяют по формуле Q ~ tpVp — 3,6л (UVj + uy2 + W3t3) - ntiVp ' где Q — полезная производительность фильтров, м3/сут; t9 — продолжитель¬ 124
ность работы станции в течение суток, ч; ур — расчетная скорость фильтрова¬ ния, м/ч; п — число промывок каждо¬ го фильтра в течение суток; Wx, W2, W3 — соответственно интенсивности пер¬ воначального взрыхления загрузки, подачи воды и отмывки загрузки, л/(с • м2); tlt /2, t3 и ti — соответствен¬ но продолжительности первоначального взрыхления фильтрующей загрузки, во¬ довоздушной промывки, отмывки и про¬ стоя фильтра из-за промывки, ч. При высоких скоростях фильтрования, в 10 раз и более превышающих скорости скорых безнапорных фильтров, про¬ должительность фильтроцикла сущест¬ венно сокращается. Если фильтроцикл при скорости фильтрования 5 м/ч со¬ ставляет в среднем 15—20 ч, то при уве¬ личении скорости до 50 м/ч — только 0,75—1 ч. Разработанная Г. Н. Никифоровым и сотрудниками система автоматизации работы этих фильтров позволяет полу¬ чать требуемое качество воды при ско¬ рости фильтрования 35—50 м/ч. 9.8. Скорые безнапорные фильтры Скорые безнапорные фильтры предна¬ значены для удаления из воды взвешен¬ ных и коллоидных частичек после реа^ гентной обработки воды или без нее. При скорости фильтрования 5—14 м/ч они обеспечивают качество воды в со¬ ответствии с ГОСТ 2874—82. Мутность воды, подаваемой на скорые фильтры, не должна превышать 8—15 мг/л. В скорых безнапорных фильтрах пе¬ репад давления создается за счет раз¬ ности уровней воды в фильтре и в ре¬ зервуаре чистой воды. По направлению движения воды они разделяются на одно- и двухпоточные! В первых во¬ ду фильтруют сверху вниз, во вторых — одновременно сверху вниз и снизу вверх. Скорые фильтры рассчитывают для работы в нормальном и форсированном режимах. Работа фильтров форсирует¬ ся в тех случаях, когда кроме обычно¬ го отключения их на промывку один или два фильтра останавливаются на ре¬ монт. Если фильтров на станции до 20, следует предусматривать возмож¬ ность выключения на ремонт одного из них, при большем количестве фильт¬ ров — двух. Продолжительность фильтроцикла при нормальном режиме должна составлять не менее 8—12 ч и лишь при форсиро¬ ванном режиме или полной автоматиза¬ ции промывки фильтров может быть равной 6 ч. Фильтров на станциях про¬ изводительностью более 1600 м3/сут долж¬ но быть не менее четырех. 9.9. Скорые фильтры с однослойной загрузкой Открытые скорые фильтры с одно¬ слойной загрузкой (рис. 9.7) представ¬ ляют собой прямоугольные (в плане) железобетонные резервуары площадью 100—120 м2, загруженные фильтрующи¬ ми слоями зернистого материала с под¬ держивающими слоями гравия, под ко¬ торыми размещена дренажная система для сбора отфильтрованной и равномер¬ ного распределения промывной воды. Их загружают кварцевым песком, дроб¬ леным антрацитом и другими зерни¬ стыми материалами, удовлетворяющими санитарно-гигиеническим требованиям и обладающими необходимой механической прочностью и химической стойкостью. Высота слоя загрузки зависит от диа¬ метра ее зерен. При диаметре зерен квар¬ цевого песка 0,5—1,2 мм высота слоя составляет 700—800 мм; 0,7...1,6—1300... ...1500 мм; 0,8...2,0—1800...2000 мм. Для сбора промывной воды и подвода осветляемой воды из отстойников или осветлителей в верхней части фильтров предусматривают желоба и другие ус¬ тройства. Вдоль фильтров размещают арматуру управления, обеспечивающую подвод Рис. 9.7. Схема открытого скорого фильтра: / — отвод отфильтрованной воды: 2 — подача про¬ мывной воды; 3 — выпуск загрязненной промывной воды; 4 — подача осветляемой воды; 5 — распреде¬ лительный карман; 6 — желоба для распределения фильтруемой и для отвода- промывной воды; 7 — дре¬ нажная система; 8 канализационный канал. 125
воды, отвод фильтрата, подачу промывной воды, сброс воды после промывки фильт¬ рующих слоев. Кроме того, предусмат¬ ривают регуляторы скорости фильтро¬ вания или расходомеры для фильтрата с регулятором. Площадь F таких фильтров опреде¬ ляют по формуле Р = 9. *Р°р.Н ~ 3-блШ1 — nt2Vp.B ' где Q — полезная производительность станции, м3/сут; tp — продолжитель¬ ность работы станции в течение суток, ч; Ур.н — расчетная скорость фильтро¬ вания при нормальном режиме, м/ч; п — число промывок каждого фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуа¬ тации; W — интенсивность промывки, л/(с • м2); tu /2 — соответственно продолжительности промывки и про¬ стоя фильтра в связи с промывкой, ч. Скорость воды в подводящих трубо¬ проводах и каналах должна составлять 0,8—1,2 м/с, высота слоя воды над за¬ грузкой фильтра не менее 2 м. При форсированном режиме работы фильтров трубопроводы и каналы долж¬ ны обеспечить следующие скорости воды, м/с; подающие на фильтр отстоянную воду — 0,8—1,2, отводящие отфильтро¬ ванную воду — 1,0 —1,5; подающие про¬ мывную воду и отводящие ее в канали¬ зацию— 1,6—2,0. Опорожнение филь¬ тра предусматривают через распре¬ делительную систему и спускную тру¬ бу диаметром 100—200 мм (в зависи¬ мости от площади фильтра). Входное отверстие трубы защищают сеткой или решеткой. Уклон днища фильтра в на¬ правлении сбросного трубопровода со¬ ставляет 0,005. 9.10. Скорые фильтры с двухслойной загрузкой В скорых фильтрах с двухслойной за¬ грузкой последняя состоит из отдельных слоев песка (при диаметре зерен 0,50— 1,25 мм высота слоя составляет 600— 700 мм) и антрацитовой крошки (при диаметре зерен 0,8—1,8 мм высота слоя составляет 400—500 мм). Скорость фильтрования при нормальном режиме должна составлять 8—10, при форсиро¬ ванном— 10—12 м/ч. В верхней ча¬ сти фильтра помещают крупнозернистый материал, поэтому плотная пленка за¬ грязнений не образуется, поскольку они отлагаются в большом поровом простран¬ стве фильтрующего слоя. В результате этого примерно в 2—2,5 раза возрастает грязеемкость фильтра, и предоставляется возможность увеличить скорость филь¬ трования, а также удлинить фильтро- цикл. Особенно перспективно применение этих фильтров при очистке воды, со¬ держащей большое количество фито¬ планктона, что наблюдается при цве¬ тении водоемов. Они пригодны также для умягчения и обезжелезивания во¬ ды. Конструктивно такие фильтры анало¬ гичны обычным скорым фильтрам с однослойной загрузкой. Особенностью их оборудования является формирова¬ ние раздельных слоев песка и дроблен¬ ного антрацита, что достигается после¬ довательной тщательной сортировкой их в процессе промывки. В некоторых слу¬ чаях вместо антрацита используют ак¬ тивированный уголь; при этом в фильт¬ рующем слое наряду с осветлением про¬ исходит обесцвечивание и дехлориро¬ вание воды. 9.11. Фильтры АКХ В основу двухпоточных скорых фильт¬ ров АКХ (рис. 9.8) положен принцип двухстороннего фильтрования воды с отводом фильтрата трубчатой дренаж¬ ной системой, расположенной в толще фильтрующего слоя. Пространство 1 над поверхностью песка 5 соединяется трубопроводом 2 с поддонным простран¬ ством 3. Дренажная система 4 распо¬ ложена на расстоянии 50—60 см от
поверхности песка. Часть исходной во¬ ды направляется в дренажную систему, фильтруясь через слой песка blt а дру¬ гая часть по трубопроводу 2 подается в поддонное пространство 3, а оттуда — в дренажную систему 4 снизу вверх че¬ рез слой песка Ь2. Фильтрование основной массы освет¬ ляемой воды снизу вверх сначала через слой крупного, а затем через все более мелкий песок обеспечивает повышение грязеемкости и производительности фи¬ льтра при сокращении расхода воды на промывку. В нижней части такого фильт¬ ра располагают трубчатую распредели¬ тельную систему. Над ней помещают гравийные поддерживающие слои, на которые укладывают слой песка. Часть воды из отстойника подают в сборный карман фильтра, откуда она поступает по желобам на верхнюю часть загрузки. Основная же масса воды через распределительную систему поступает в нижнюю часть фильтрую¬ щего слоя. Очищенную воду собирают и отводят в коллектор дренажными тру¬ бами, расположенными на 500—600 мм ниже поверхности песка. Промывную воду собирают и отводят в сборный ка¬ нал и трубопровод сточной воды жело¬ бами (рис. 9.9). Фильтр загружают отмытым кварце¬ вым песком крупностью 0,5—1,6 мм. Поддерживающие слои гравия укла¬ дывают так же, как и в однопоточных ско¬ рых фильтрах. Расчетная скорость филь¬ трования для фильтров АКХ, составляю¬ щая 10—12 при нормальном и 12—15 м/ч при форсированном режимах, представ¬ ляет собой сумму скоростей потоков во¬ ды через нижний и верхний слои зерни¬ стой загрузки. Во время работы фильтра скорость фильтрования через нижний слой загрузки увеличивается, а через верхний слой в связи с малой грязеем- костью его — уменьшается. К концу фильтроцикла скорость фильтрования через нижний слой достигает 80 % сум¬ марной скорости. При промывке фильтров воду снача¬ ла подают в дренажную систему для взрыхления верхнего фильтрующего слоя, затем подключают основную про¬ мывку через нижнюю распределитель¬ ную систему при одновременной по¬ даче воды в дренаж с минимальной Рис. 9.9. Схема устройства фильтра АКХ: / — нижний дренаж; 2 — желоб; 3 — дренаж внутри з^рузки; 4 — трубопровод. интенсивностью для создания проти¬ водавления, препятствующего попада¬ нию в него загрязнений из нижних слоев. После окончания промывки подачу во¬ ды снизу прекращают, а сверху подают еще некоторое время для очистки ще¬ лей дренажных труб. Нижняя распределительная система фильтров АКХ аналогичная трубчатой системе большого сопротивления одно¬ поточных скорых фильтров. Дренажная система фильтров АКХ состоит из щелевых винипластовых, ас¬ бестоцементных или прочных полиэти¬ леновых труб. Щели располагают ря¬ дами параллельно оси труб в шахматном порядке. Длина щелей в винипластовых трубах — 45—60, в асбестоцементных — до 100 мм; ширина их — 0,4—0,5 мм (1,5—2 % площади фильтра). Расстоя¬ ние между рядами щелей по внутренней поверхности составляет не менее 10, меж¬ ду смежными щелями в ряду по наруж¬ ной поверхности — 15—20 мм. Ско¬ рость движения воды в дренажных тру¬ бах не должна превышать 1 м/с. Стыки дренажных труб жестко укрепляют на опорах из стальных труб или балок прокатных профилей, расположенных перпендикулярно к оси дренажных труб. Обычно расстояние между опорами при¬ нимают равным 1,2—1,5 м. В двухпоточных фильтрах значитель¬ но повышается грязеемкость зернисто¬ го фильтрующего материала, но кон¬ струкция и управление их работой зна¬ чительно сложнее, чем обычных скорых и двухслойных фильтров. 127
9.12. Промывка скорых безнапорных фильтров Потери напора для скорых открытых фильтров принимают 3,0—3,5 м. Ско¬ рые фильтры загрязняются значительно быстрее, чем медленные. Поэтому про¬ мывают их один-два раза в сутки (в паводки чаще) отфильтрованной водой под необходимым напором. Двигаясь с большой скоростью и значительным гидродинамическим давлением через фи¬ льтрующий материал снизу вверх, во¬ да его разрыхляет и переводит во взве¬ шенное состояние. Зерна фильтрующего материала ударяются друг о друга, на¬ липшие загрязнения попадают в промы¬ вную воду, которая переливается че¬ рез кромки железобетонных желобов и отводится в канализацию. В период выключения одного фильтра на промывку на остальных фильтрах скорость фильтрования сохраняют по¬ стоянной или увеличивают до 20 %. Если на станции обработки воды менее шести фильтров, скорость фильтрования должна оставаться постоянной. Для воз¬ можности приема воды при выключении фильтра на промывку над нормальным уровнем воды в фильтрах, отстойниках, осветлителях и других сооружениях пре¬ дусматривают дополнительную высоту слоя воды. iji-iji Рис. 9.10. Схема трубчатого дренажа большого сопро¬ тивления: 1 — гравий; 2 — фильтрующий слой; 3 — воздуш¬ ная труба; 4 — подача воды для промывки фильтра. 128 Скорые фильтры промывают либо только водой, подаваемой снизу вверх с большой интенсивностью, либо од¬ новременно промывают водой и проду¬ вают воздухом. Равномерное распределение воды по площади скорых фильтров осуществляют дренажными системами с поддерживаю¬ щими слоями или без них. К дренажам с поддерживающими слоями относятся трубчатый дренаж большого и малого сопротивления, дренаж из сборных же¬ лезобетонных элементов и др. В трубчатом дренаже большого со¬ противления равномерность распреде¬ ления воды по площади фильтра дости¬ гается благодаря большому гидравли¬ ческому сопротивлению при проходе промывной воды через отверстия дре¬ нажа; эти сопротивления значительно превышают разность давлений промыв¬ ной воды в различных точках дренажной системы; в дренаже малого сопротивле¬ ния равномерность распределения во¬ ды по площади фильтра достигается за счет малых скоростей движения воды в дренажной системе и малой, вследствие этого, разности давлений в различных точках дренажной системы. Трубчатый дренаж большого сопротив¬ ления может быть выполнен с горизон¬ тальной компенсацией и без нее. Дре¬ наж без горизонтальной компенсации устраивают так, чтобы вода из него при промывке фильтра поступала непосред¬ ственно в толщу поддерживающего или фильтрующего слоя. В дренаже с горизонтальной компен¬ сацией предусматривается поступле¬ ние воды из отверстий системы в свобод¬ ное от загрузки пространство фильтра, где она, двигаясь в горизонтальном на¬ правлении, компенсирует в известной мере возможную неравномерность рас¬ пределения воды дренажной системой. Наиболее распространенным являет¬ ся трубчатый дренаж большого сопротив¬ ления без горизонтальной компенсации (рис. 9.10). Он выполнен как централь¬ ный коллектор с ответвлениями из пер¬ форированных труб с круглыми отвер¬ стиями диаметром 10—12 мм, направ¬ ленными вниз под углом 45°. Разновидностью дренажа большого со¬ противления без поддерживающих гра¬ вийных слоев является трубчатый дре¬
наж со щелевой перфорацией при ши¬ рине щели на 0,1 мм меньше наиболее мелкой фракции фильтрующей загруз¬ ки. Перфорированные трубы во избе¬ жание зарастания и коррозии щелей изготовляют из нержавеющей стали или из пластмассы (например, из виниплас¬ та). Наиболее перспективен дренаж из перфорированных труб из нержавею¬ щей стали с электроискровой нарезкой щелей (1,5—2,0 % площади фильтра). В скорых фильтрах без поддерживаю¬ щих гравийных слоев с водяной и воз¬ душной промывкой целесообразно при¬ менять дренажи из колпачков со щеле¬ выми отверстиями (рис. 9.11). Такие колпачки можно изготовить из пластмас¬ сы, фарфора, нержавеющей стали; за¬ крепляют их в промежуточном (ложном) днище фильтра. Их должно быть не менее 35—50 на 1 м2 площади фильтра. Площадь щелей пластмассового колпачка В-2 составляет 2,88 см2. Они применяются при водовоздушной промывке скорых фильтров, поскольку позволяют равно¬ мерно распределять одновременно воду и сжатый воздух. Щели в верхней части колпачков равномерно расположены по цилиндрическои поверхности; нижние их части выполнены в виде полого ствола с узкой щелью шириной 1,0—1,5 мм и высотой 50—60 мм. Суммарная пло¬ щадь щелей всех колпачков, устанавли¬ ваемых в фильтры, должна составлять 0,8—1,0 % его рабочей поверхности. На рис. 9.12 приведена схема щелевого фарфорового колпачка конструкции Все¬ союзного теплотехнического института им. Ф. Э. Дзержинского. В нижней ча¬ сти колпачок имеет резьбу для наверты¬ вания его на резьбу ниппеля трубча¬ той дренажной системы или на ниппель плиты дренажа с горизонтальной ком¬ пенсацией. Уплотнение на резьбе до¬ стигается с помощью льняной пряди, смазанной суриком. На боковой поверх¬ ности щелевого фарфорового колпачка расположено 24 вертикальные щели дли¬ ной 20 мм каждая. Ширина щели по внешнему диаметру колпачка состав¬ ляет 0,4, по внутреннему — 1,0 мм, об¬ щая площадь щелей одного колпачка — 1,92 см2. Днище желоба для отвода про¬ мывной воды может быть многоугольным или полукруглым (рис. 9.13). Распо¬ лагают желоба параллельно короткой Рис. 9.11. Схема скорого фильтра с кол¬ пачковым дренажем (а) и колпачок В-2 (б). / — фильтрующий слой; 2 — дренаж¬ ные колпачки; 3 — система труб для подачи воздуха; 4 — щели; 5 — резьба для крепления колпачка в промежу¬ точной плите. Рис. 9.12. Схема щелевого фарфорово¬ го колпачка ВТИ-5. 2х 2х а о Рис. 9.13. Схемы желобов для от¬ вода из фильтров промывной во¬ ды: а — площадь сечения желоба F = = 4,0 х2; б — F = 4,57 хК Рис. 9.14. Система низкого (гори¬ зонтального) отвода промывной воды с пескоулавливающим жело¬ бом: / — струенаправляющий выстуя; 2,3 — соответственно отбойная и переливная стенки пескоулавли¬ вающего желоба; 4 — щель для возврата задержанного песка а = = 15...20 мм; f = 30...40 мм. 5 5-2398 129
400 иробень песка Рис. 9.15. Схема устройства для верх¬ ней промывки фильтра с помощью вра¬ щающейся трубы. стороне фильтра так, чтобы расстояние между смежными желобами не превы¬ шало 2,2 м. Для обеспечения равномер¬ ного отвода промывной воды с фильтра переливные кромки желобов устанавли¬ вают на одном уровне и строго горизон¬ тально, поверхность стенок делают глад¬ кой, уклон лотков желобов к сборному каналу должен составлять не менее 0,01. Вынос песка при водовоздушной про¬ мывке фильтров может быть предотвра¬ щен устройством системы горизонталь¬ ного (низкого) отвода воды с пескоулав¬ ливающим желобом (рис. 9.14). Фильт¬ рующую загрузку промывают с интенсив¬ ностью 12—-14 л/ (с • м2). Для осветления высокомутных вод, а также для обезжелезивания и умяг¬ чения воды при соответствующем тех¬ нико-экономическом обосновании мож¬ но применять поверхностную промывку стационарными или вращающимися ус¬ тройствами (рис. 9.15). 1 Рис. 9.16. Схема фильтра с чередующейся промывкой: / — загрузка; 2 — полимербетонный дренаж; 3, 4 — диафрагмы большого и малого сопротивления; 5 — патрубки на входах в дренажные каналы; 6 — желоб для отвода промывной воды. Для стационарной распределительной системы интенсивность промывки со¬ ставляет 3—4 л/ (с • м2) при напоре во¬ ды 0,3—0,4 МПа, для вращающихся устройств — 0,50—0,75 л/ (с • м2) при напоре 0,4—0,5 МПа. Интенсифицировать работу скорых безнапорных фильтров с дренажной си¬ стемой без поддерживающих слоев мож¬ но промывкой с неравномерной подачей воды1. Промывная вода распределяется по площади фильтра (рис. 9.16) с различ¬ ной интенсивностью, в результате че¬ го зерна загрузки в зоне больших ско¬ ростей перемещаются вверх, а в зоне малых скоростей — вниз. За счет перемешивания загрузки во всем объеме фильтра происходит качест¬ венная отмывка зерен и исключается гидравлическая сортировка фильтрую¬ щего материала, приводящая в фильтрах с обычной промывкой к росту потерь на¬ пора, снижению грязеемкости загрузки и сокращению фильтроцикла. 9.13. Скорые напорные фильтры Скорые напорные фильтры (рис. 9.17) широко используются в промышленном водоснабжении для осветления воды по¬ сле обработки ее коагулянтами без пред¬ варительного отстаивания, а также при 1 Владыченко Г. П., Грабовский П. А., Ларкина Г. М., Тюрев В. Ф. Интенсификация работы скорых фильтров за счет промывки с неравномерной интенсивностью,— Химия и тех¬ нология воды.— Т. 3.— №3.— 1981.— С. 252— 254. 130
безреагентном осветлении воды, содер¬ жащей до 50 мг/л взвешенных веществ. Они представляют собой закрытые вер¬ тикальные или горизонтальные резер¬ вуары со сферическими днищами, рас¬ считанные на рабочее давление до 0,6 МПа. Производительность каж¬ дого вертикального фильтра со¬ ставляет 50—90 м3/ч (в зависимо¬ сти от качества исходной воды). Исходная вода поступает в кор¬ пус напорного фильтра 2 по тру¬ бопроводу 8, где распределяется воронкой 1. Пройдя фильтрую¬ щую загрузку, вода через дре¬ нажную систему 3 по трубе 5 отводится в сеть. Воду для про¬ мывки подают через дренажную систему 3 в обратном направ¬ лении. Воронкой 1 по трубе 8, имеющей предохранительный клапан 9, вода отводится в лоток 7. Интенсивность промывки ре¬ гулируется дроссельным клапа- Рис. 9.18. Схема фильтра осветлительного горизонтального однока¬ мерного ФОГ 3,0-6-5,5: / — подвод обрабатываемой воды; 2 — выход отфильтрованной во¬ ды; 3 — подвод промывной воды; 4 — спуск промывной воды; 5 — подвод сжатого воздуха: 6 — спуск первого фильтрата; 7 — гидро¬ выгрузка фильтрующего материала. Рис. 9.17. Схема вертикального напорного фильтра: / — воронка; 2 — корпус; 3 — дренажная система; 4 — люк; 5 — трубы для отвода фильтрата; 6 — по¬ плавок; 7 — лоток для промывной воды; 8 —* трубо¬ провод; 9 — предохранительный клапан. ном с поплавком 6. На боковой поверх¬ ности фильтра расположены люки 4. Диаметр выпускаемых отечественной промышленностью вертикальных напор¬ ных фильтров — 1,0—3,4 м, т. е. мак¬ симальная поверхность фильтрования не превышает 9,1 м2. Увеличение диаметра фильтров сверх 3,4 м приводит к тех¬ ническим трудностям при транспорти¬ ровке. Применяют напорные вертикальные фильтры на станциях с полезной произ¬ водительностью до 5000 м3/сут, т. е. исходя из экономических соображений фильтров должно быть 4—6. Если про¬ изводительность станции большая и при¬ менить открытые железобетонные фильт¬ ры невозможно, устанавливают горизон¬ тальные напорные фильтры (рис. 9.18) диаметром 3 м и длиной 10 м, обеспечи¬ вающие площадь фильтрования до 27 м2. Гравийные поддерживающие слои в напорных фильтрах, как правило, не устраиваются. Дренаж их представляет собой трубчатую магистраль с ответвле¬ ниями, снабженными фарфоровыми и пластмассовыми дренажными колпачка¬ ми или щелями. Для водовоздушной про- jt"- -Ltto- ""1 Л / у »«• ■II/.. ■.>//'.'./// .'■> • ч>: > in} ;*<■/•///; ) "-4 —pCW- 3 п 131
2 Рис. 9.19. Схема сверхскорого фильтра конструкции Г. Н. Никифорова. мывки устраивают специальную распре¬ делительную систему или применяют кол¬ пачки типа В-1 для одновременной пода¬ чи воды и воздуха. Отводят воздух через вантуз, устраиваемый вверху фильтра. Над дренажем располагают фильтрую¬ щую загрузку из кварцевого песка (мра¬ мора, антрацита) с толщиной слоя 1 м. На боковой поверхности фильтра нахо¬ дится два люка, один для загрузки фильт¬ рующего материала, другой — смотро¬ вой. На передней стенке фильтра (фронт фильтра) устанавливаются манометры и трубки с вентилями (для отбора проб фильтруемой воды и фильтрата, выпус¬ ка воздуха, для контроля спуска воды перед промывкой фильтра). Расчетную скорость фильтрования для напорных фильтров принимают: при нор¬ мальном режиме с предварительным от¬ стаиванием — 8, при форсированном — 10 м/ч; при нормальном режиме без от¬ стаивания — 4, при форсированном — 5 м/ч. Промывают фильтры восходящим потоком воды с интенсивностью 15 л/ (с • м2) (загрузка — кварцевый песок и мраморная крошка) и 10 л/ (с • м2) (загрузка — дробленый антрацит) в те¬ чение 6 мин. Сжатый воздух при водо¬ воздушной промывке подают с интенсив¬ ностью 20 л/ (с • м2) в течение 3 мин. Насосные станции второго подъема в случае применения напорных фильт¬ ров не проектируют, поскольку напор насоса, подающего воду на фильтры, обеспечивает не только ее фильтрование, но и подачу в разводящую сеть. 9.14. Сверхскорые напорные фильтры Сверхскорый напорный фильтр констру¬ кции Г. Н. Никифорова (рис. 9.19) ра¬ ботает при постоянном напоре с пере¬ менной скоростью фильтрования, умень¬ шающейся по мере загрязнения фильтра. Начальная скорость фильтрования со¬ ставляет 50—100 м/ч. Фильтр представ¬ ляет собой цилиндрический корпус с цилиндрической камерой внутри. Про¬ странство между цилиндрами разделе¬ но вертикальными перегородками на восемь отсеков-фильтров с песчано-гра- вийной загрузкой. В действии находят¬ ся семь отсеков, а один — на промывке. В связи с тем что фильтр засоряется очень быстро, продолжительность фильт- роцикла в каждом отсеке не превышает 1—2 ч. Фильтруемая вода поступает по тру¬ бе/в распределительный колпак 2, а из него через щели 7 в отсеки-фильтры. Пройдя через фильтры, вода по щелям 8 и центральному цилиндру отводится по напорной трубе 9. Промывка фильтра автоматизирована. В верхней части его вращается патрубок, закрывающий верх¬ нее щелевое окно камеры, которая под¬ вергается промывке, и выключающий ее из работы. Вода на промывку подает¬ ся из междудонного пространства 5. Загрязненная промывная вода через патрубок 3 и центральный стояк 4 от¬ водится к трубе 6. Фильтры переключаются на промывку последовательно специальным автомати¬ ческим устройством. Загружают фильтр кварцевым песком 132
т Рис. 9.20. Схема элемента батареи сверхско¬ рых напорных фильтров конструкции Г. Н. Ни¬ кифорова. с эффективным размером зерен 0,5 мм при толщине фильтрующего слоя 450 мм. / Поддерживающим является слой гра¬ вия толщиной 300 мм. Производительность сверхскорых фильтров при максимально допустимом диаметре составляет 150 м3/ч. Учитывая, что производительность фильтра лимитируется его размерами и при диаметре фильтра 3000 мм не пре¬ вышает 150 м3/ч, Г. Н. Никифоров пред¬ ложил батарейный тип сверхскорых на¬ порных фильтров с автоматической си¬ стемой промывки (рис. 9.20). Все фильт¬ ры, входящие в блок, связаны единым гидравлическим режимом и снабжены автоматическим дистанционным управ¬ лением. 9.15. Фильтры-электролизеры Для очистки воды на небольших авто¬ номных объектах в Институте коллоид¬ ной химии и химии воды АН УССР раз¬ работан типоразмерный ряд напорных фильтров-электролизеров типа ФЭМ (фильтр-электролизер многоцелевой) производительностью 1,3 и 6 м3/ч, пред¬ назначенных для очистки и обеззара¬ живания воды (рис. 9.21). В корпусе фильтра над загрузкой рас¬ положен пластинчатый электролизер, вы¬ полненный из чередующихся алюминие¬ вых пластин и пластин из нержавеющей стали. Расстояние между пластинами 13—15 мм. Электролизер крепится к съемному боковому фланцу, который имеет электрические контакты для под¬ ключения к источнику постоянного то¬ ка. Дозируют коагулянт при анодном растворении алюминия регулировкой си¬ лы тока. Загрузка фильтра состоит из двух слоев: кварцевого песка и керамзита. Фильтр оборудован верхним и ниж¬ ним дренажами. Нижний дренаж вы¬ полнен из фарфоровых колпачков ВТИ-5, укрепленных на съемной панели. Верх¬ ним дренажем служит латунная сетка с размером ячеек, не превышающим диаметров зерен загрузки. В верхней части фильтра расположена камера поплавкового клапана для ав¬ томатического выпуска образующихся в процессе электролиза газов. Регенерируют фильтрующую загруз¬ ку водовоздушной промывкой. При про¬ мывке фильтра под воздействием абра¬ зивных фракций загрузки поверхность электродных пластин очищается от пас¬ сивирующих отложений, образующихся Рис. 9.21. Схема фильтра-электролизера типа ФЭМ: / — песок (d = 0,7... 1,0 мм); 2 — электролизер; 3 — трубка для выпуска газа (воздуха); 4 — патруб¬ ки с фланцами (штуцерами) для присоединения подво¬ дящего трубопровода; 5 — трубопровод для подачи воздуха; 6 — трубопровод для опорожнения фильт¬ ра; 7 *=* карман. 133
в процессе работы фильтра. Использова¬ ние сжатого воздуха интенсифицирует этот процесс и упрощает трудоем¬ кие операции очистки электролизера. Фильтры-электролизеры используются в конструкциях водоочистных установок на речных судах и в схемах кондицио¬ нирования на морских судах. 9.16. Контактные осветлители и фильтры Работа контактных осветлителей и контактных фильтров основана на ис¬ пользовании явления контактной коагу¬ ляции. Контактные осветлители целесооб¬ разно применять на станциях любой производительности при одноступен¬ чатых схемах очистки маломутных цвет¬ ных вод, когда общее содержание взве¬ шенных веществ в поступающей на кон¬ тактные осветлители воде, включая взвесь, образующуюся в результате вве¬ дения в воду реагентов, не превышает 120 мг/л при максимальной цветности 120 град. При большем содержании взвеси в воде резко возрастает расход на промывку контактных осветлителей. Наиболее эффективно применение кон¬ тактных осветлителей, если период мак¬ симальных цветности и мутности не пре¬ вышают 30—50 сут в год, а среднего¬ довая загрязненность воды составляет 20—30 мг/л по взвешенным веществам и 80—100 град, по цветности. Объем сооружений очистки воды с применением контактных осветлителей уменьшается в 4—5 раз по сравнению с объемом сооружений обычного типа (двухступенчатые схемы). На 15—20 % уменьшается также расход коагулянтов. Принцип действия контактных освет¬ лителей основан на том, что на поверх¬ ности зерен загрузки при движении во¬ ды, обработанной коагулянтом, снизу вверх сорбируются коллоидные и взве¬ шенные частички. Контактные осветлители являются своеобразной разновидностью скорых безнапорных фильтров, работающих по принципу пропускания обрабатываемой воды с добавлением коагулянта через слой зернистой загрузки снизу вверх, т. е. в направлении убывания крупности зерен в слое. Отстойников перед контакт¬ ными осветлителями не устраивают. В технологии очистки природных вод рекомендованы контактные осветлите¬ ли КО-1 и ко-з. Схема контактного осветлителя КО-1 приведена на рис. 9.22. Загружают его гравием и кварцевым песком с раз¬ мером зерен 0,7—5 мм; фракций меньше 0,5 мм не должно быть, поскольку они выносятся восходящим потоком воды. Общая высота поддерживающих гра¬ вийных слоев при трубчатом дренаже и их гранулометрический состав такие же, как и в обычных скорых фильтрах. При отсутствии данных технологиче¬ ских испытаний на модельных установ¬ ках общую высоту фильтрующего слоя принимают не менее 3 м при эквивалент¬ ном диаметре зерен 1—1,3 мм и коэф¬ фициенте неоднородности до 2,5. Ско¬ рость фильтрования даже при форсиро¬ ванном режиме (в случае ремонта од¬ ного из контактных осветлителей) не должна превышать 5,5—6 м/ч. Продол¬ жительность рабочего цикла должна быть не менее 6 ч; при нормальном ре¬ жиме она составляет 8—12 ч. Контактные осветлители могут ра¬ ботать в двух режимах: при постоянной скорости фильтрования в течение все¬ го рабочего цикла и со скоростью, по¬ степенно убывающей к концу цикла так, чтобы среднее ее значение равня¬ лось рекомендованному. В первом слу¬ чае предусматривается регулирование подачи воды на осветлители независимо от их количества. Во втором случае необходимо иметь в виду, что при выклю¬ чении одного из осветлителей на промыв¬ ку скорость фильтрования на осталь¬ ных не должна увеличиваться более Рис. 9.22. Схема контактного осветлителя КО-1 с БТРС: а — контактный осветлитель; 6 — схема БТРС; / —подача об¬ работанной и промывной воды; 2 — магистральный канал; 3 — трубы БТРС; 4 — загрузка; 5 — сборные желоба; 6 — отвод филь¬ трата; 7 — отвод промывной во¬ ды. 134
чем на 15 %; это возможно, если их на станции не менее 6. При меньшем числе осветлителей необходимо предусматри¬ вать ограниченную подачу воды в пе¬ риод промывки одного из них. Для промывки контактных осветли¬ телей можно использовать очищенную или неочищенную воду, если мутность последней не превышает 10 мг/л, а ко- ли-индекс — 1000. Промывают их вос¬ ходящим потоком воды, подаваемой с интенсивностью 15—18 л/ (с • м2) в те¬ чение 7—8 мин. Возможно также сов¬ местное применение воды и воздуха. Для равномерного распределения во¬ ды при промывке по всей площади в контактных осветлителях предусматри¬ вают распределительные системы: труб¬ чатую — большого сопротивления с гра¬ вийными поддерживающими слоями и безгравийную. В первом случае соотно¬ шение отверстий распределительной си¬ стемы и площади контактного осветли¬ теля должно составлять 0,20, во вто¬ ром — 0,25—0,27 %. Распределитель¬ ная система контактного осветлителя обязательно должна быть доступной для очистки от засорения. Поэтому ее ма¬ гистральные каналы выполняют такой высоты, чтобы обеспечить доступ к рас¬ пределительным трубам; эти каналы мо¬ гут располагаться у передней стенки и в центре осветлителя. Поскольку поток воды в контактных осветлителях как при работе, так и при промывке направлен всегда снизу вверх, они могут быть оборудованы распреде¬ лительными устройствами без поддержи¬ вающих слоев. В осветлителях с безгра- вийной трубчатой распределительной си¬ стемой (БТРС) под трубами ответвле¬ ний устраивают ячейки, охватывающие одно или два отверстия. Для этого вдоль боковых образующих этих труб прива¬ ривают вертикальные шторки с попереч¬ ными перегородками между ними. В контактных осветлителях КО-1 от¬ фильтрованная вода отводится через сборные желоба с треугольными водо¬ сливами высотой 40—60 мм, расположен¬ ными над поверхностью фильтрующего слоя таким образом, чтобы кромка (верх) сборного желоба была на 1,0— 1,1 м выше поверхности песка. Расстоя¬ ние между осями треугольных водосли¬ вов не должно превышать 100—150 мм. Рис. 9.23. Схемы контактного осветлителя типа КО-3 (а), излива воды при его промывке (б) и дренаж для водовоздушной промывки (в): / — фильтрат: 2 — сырая вода: 3 — подача воздуха; 4 — подача воды на промывку; 5 — отвод промыв¬ ной воды; 6 — отбойный щиток; 7 — перегородки Необходимый напор перед контакт¬ ными осветлителями (от уровня кромок переливных желобов) определяется сум¬ мой потерь напора в загрузке и в под¬ водящих коммуникациях с учетом мест¬ ных сопротивлений, в том числе в рас¬ ходомере для измерения скорости фильт¬ рации. На очистных сооружениях хозяйствен- но-питьевых водопроводов зеркало во¬ ды контактных осветлителей изолируют от коридора управления остекленными перегородками высотой не менее 2,5 м с глухой нижней панелью высотой 1,0— 1,2 м. Контактные осветлители КО-2 с от¬ бором осветленной воды внутри фильтру¬ ющей загрузки по типу фильтров АКХ не получили распространения. В контактных осветлителях КО-3 (рис. 9.23) применяется БТРС и водо¬ воздушная промывка с горизонтальным отводом промывной воды. Отбор освет¬ ленной воды производится без желобов. Нижняя кромка водосливной стенки устанавливается на 20—30 мм выше поверхности фильтрующей загрузки. Воздух подается через трубчатую рас¬ пределительную систему с интенсив¬ ностью 18—20 л/(с • м2) 1,0—2 мин; водовоздушная промывка 6—7 мин с интенсивностью подачи воды 3—3,5 л/(с • м2) и воздуха 18—20 л/(с • м2); последующая промывка водой 5—7 мин с интенсивностью 6—7 л/(с - м2). В контактных фильтрах, работаю¬ щих с использованием контактной коа¬ гуляции, вода с добавленными к ней реагентами (в отличие от контактных осветлителей) фильтруется через зер- 135
Рис. 9.24. Схема контактного фильтра КФ-5: ' — подача реагентов; 2 — распределительная си- втема: 3 — дренаж из пористого бетона нистые загрузки в направлении сверху вниз, т. е. как в обычных скорых фильт¬ рах. Для увеличения грязеемкости фи¬ льтрующей загрузки ее делают двух- или многослойной, а также применяют крупнозернистый материал. Контактные фильтры КФ-2 имеют двухслойную загрузку (антрацитовая крошка крупностью 0,8—1,8 мм, вы¬ сота слоя 0,7 м и кварцевый песок круп¬ ностью 0,5—1,2 мм, высота слоя 0,8 м). В контактных фильтрах КФ-3 загруз¬ ка однослойная крупнозернистая (квар¬ цевый песок крупностью 0,9—1,8 мм, высота слоя 2 м), в КФ-5 (рис. 9.24) — трехслойная (высота каждого слоя по 0,5 м, крупность загрузки керамзита 3—5, аглопорита 2—3, кварцевого пес¬ ка — 0,5—1 мм). Скорость фильтро¬ вания в контактных фильтрах КФ-5 до 20 м/ч, интенсивность промывки — 15 л/(с • м2) в течение 6—8 мин. В контактных фильтрах рекомендует¬ ся применять дренажи без поддержи¬ вающих слоев с распределительной си¬ стемой из керамических пористых пли¬ ток или винипластовых щелевых труб. Грязеемкость их загрузки примерно та¬ кая же, как и у контактных осветлите¬ лей, эксплуатационные затраты не¬ сколько ниже. При использовании кон¬ тактных фильтров отпадает необходи¬ мость в строительстве сооружений или установке специального оборудования для защиты распределительных систем от загрязнения. Рекомендуется применение контакт¬ ных фильтров для прямоточных односту¬ пенчатых схем очистки воды при общем содержании взвешенных веществ до 50— 60 мг/л. 9.17. Самопромывающиеся фильтры В практике водоснабжения применяют¬ ся самопромывающиеся фильтры с гид¬ равлической системой управления про¬ цессом промывки. Специальный об¬ служивающий персонал для их эксплу¬ атации не требуется. Фильтрующий слой в самопромывающихся фильтрах (рис. 9.25) может промываться периоди¬ чески или непрерывно. Осветляемая вода, пройдя распреде¬ литель и воздухоотделитель I, посту¬ В канализацию g канализацию Рис. 9.25. Схема самопромывающегося фильтра с плавающим клапаном (а) и с регулятором скорости про¬ мывки (б).
пает по трубопроводу 9 через гидравли¬ ческий затвор 7 и трубу 8 в напорный фильтр 5. Фильтрат по трубопроводу 3 поступает сначала в промывной бак 11, после наполнения которого вода через сборный трубопровод 4 направляется в резервуар чистой воды. Одновременно постепенно заполняется сифон 10, сво¬ бодный конец которого снабжен регу¬ лятором интенсивности промывки. При достижении определенной потери напора сифон саморазряжается и начинается промывка фильтра. Прекращается промывка после опо¬ рожнения бака 11 и разрыва струи в сифоне 6 вследствие поступления возду¬ ха по трубе 2. Фильтры выключаются на промывку по достижении предельных потерь на¬ пора, поскольку конструктивные осо¬ бенности их не позволяют производить промывку в зависимости от качества фильтрата. В этом их существенный недостаток. Как показывают исследо¬ вания и опыт эксплуатации, эти аппараты имеют недостатки и с технической, и с санитарно-гигиенической точек зре¬ ния. Так, в частности, в области хозяй¬ ственно-питьевого водоснабжения та¬ кие фильтры могут применяться только при очистке воды с весьма малым бак¬ териальным загрязнением, например, при обезжелезивании подземных вод. В самопромывающемся фильтре кон¬ струкции J1. А. Кульского и М. И. Мед¬ ведева (рис. 9.26) промывка осущест¬ вляется с учетом предельной потери напора в фильтрующем слое и качества фильтрата. Отличие данной конструк¬ ции состоит в том, что промывка фильтра осуществляется через сифон, который постоянно заполнен водой. Он включает¬ ся в работу задвижкой с электропри¬ водом. Управляют задвижкой поплав¬ ковыми датчиками потери напора и уров¬ ня в баке промывной воды. С этой целью также могут использоваться электрод¬ ные датчики, устанавливаемые в воздухо¬ отделителе. Непрерывно действующий песчаный фильтр с эрлифтом (рис. 9.27) диаметром 1,6 м и общей высотой 9 м построен на текстильной фабрике фирмы «Симонэко» (Великобритания). Его производитель¬ ность достигает 1350м3/сут и может быть значительно увеличена. Исходная реч- Рис. 9.26. Схема самопромывающегося фильтра кон¬ струкции J1. А. Кульского и М. И. Медведева: / — входная камера; 2 — датчик уровня воды; 3 *— промывной резервуар; 4 — гидравлический затвор; 5 — задвижка с электроприводом; 6 — сифон; 7 — корпус фильтра. Рис. 9.27. Схема непрерывно действующего фильтра с про¬ мывкой песка эрлифтом. ная вода с добавленным к ней коагулян¬ том (30—40 мг/л А12 (S04)3 ) по трубо¬ проводу 7 поступает в среднюю часть фильтра 3, распределяется по проме¬ жуткам между пластинами, проходит через медленно опускающийся слой пе¬ ска, собирается расположенными по пе¬ риферии вертикальными перфорирован¬ ными трубками 4, покрытыми фильтрую¬ щей тканью, после чего подается потре¬ бителю по трубопроводам 6. Загрязнен¬ ный песок забирается эрлифтом из ниж¬ ней части фильтра и по трубе 5 подается в его верхнюю часть 2, где отмывается и снова поступает в фильтр. Промывная вода отводится по трубе 1. Расход во¬ ды на промывку не превышает 2—3 % количества исходной воды. 9.18. Намывные фильтры Намывные фильтры (рис. 9.28) представ¬ ляют собой открытые напорные или ва¬ куумные резервуары, внутри которых 137
Рис. 9.28. Схема установки с намывным фильтром: / — насос для подачи исходной воды; 2 — сброс ис¬ пользованного порошка; 3, 6 — соответственно по¬ дача и отвод воды из фильтра; 4 — фильтрующие эле¬ менты; 5 — корпус фильтра; 7 — подача промывной воды; 8 — смотровой люк; 9 — бак для приготовле¬ ния суспензии фильтрующего порошка; 10 — миксер; 11 — бак для зарядки фильтра; 12 — насос для за¬ рядки; 13 — насос для дозирования суспензии в те¬ чение фильтроцикла. находятся фильтрующие элементы с раз¬ мером ячеек 100—150 мкм (пористые керамические, сетчатые, каркасно-на¬ витые), на которые предварительно на¬ мывают специальные фильтрующие по¬ рошки. В качестве фильтрующих по¬ рошков применяют диатомит, целлюлозу, бентонит, опилки и другие материалы с размером частичек 50—-70 мкм. Перед началом фильтроцикла фильт¬ рованием суспензии специального по¬ рошка через чистые фильтрующие эле¬ менты на их поверхность в течение 3— 5 мин наносится фильтрующий слой. Расход порошка составляет 300—400 г/м2 фильтрующей площади. На намывные фильтры рекомендует¬ ся подавать воду, содержащую до 40 мг/л взвешенных веществ при ее цвет¬ ности до 30 град. При этом примерно в 2 раза снижается содержание органи¬ ческих веществ, удаляются железо, мар¬ ганец, масла и микроорганизмы. За счет разности давлений в корпусе фильтра и внутри фильтрующего элемен¬ та на поверхности последнего удержи¬ вается равномерный слой порошка. Че¬ рез некоторое время на поверхности фи¬ льтрующего порошка может образовать¬ ся плотная пленка, приводящая к рез¬ ким потерям напора. Поэтому режим работы фильтров изменяют. После за¬ рядки фильтра в воду непрерывно или периодически добавляют 3—10 мг/л фильтрующего порошка. Этот прием по¬ могает значительно удлинить фильтро- цикл. Промывают намывные фильтры освет¬ ленной водопроводной водой в тече¬ ние 15 мин подачей ее через фильтру¬ ющие элементы в направлении, противо¬ положном движению воды при фильтро¬ вании. Расход воды на промывку составляет 0,5—0,7 % исходного ее коли¬ чества. 9.19. Эксплуатация фильтров Правильная эксплуатация фильтров должна обеспечивать очистку воды, чтобы ее органолептические показатели удов¬ летворяли требованиям ГОСТ 2874—82. В процессе эксплуатации фильтров сле¬ дует строго соблюдать правила промывки, контролировать состояние поддерживаю¬ щих и фильтрующих слоев, горизон¬ тальность кромок промывных желобов, уровень воды над загрузкой. В период промывки фильтров следят за интенсивностью подачи промывной воды, продолжительностью всего про¬ цесса промывки и отдельных операций, общим расходом воды, равномерностью распределения воды, ходом осветления промывной воды, работой отводящих желобов, расширением слоев фильтрую¬ щей загрузки, качеством их промывки. Поверхность загрузки фильтров как перед промывкой, так и после нее пе¬ риодически осматривают. Перед промыв¬ кой обращают внимание на общий вид загрязнений, толщину пленки, равно¬ мерность ее распределения по поверх¬ ности фильтра, наличие грязевых ско¬ плений, ям, воронок, трещин, отхода загрязнений от стенок. После промывки проверяют состояние фильтрующих ма¬ териалов, наличие недостаточно про¬ мытых мест, остаточного загрязнения, выброса гравийных слоев и др. Обна¬ руженные дефекты устраняют. Загрузку фильтров промывают водой из резервуаров чистой воды. Если при¬ нятым расходом воды необходимая пол¬ нота промывки загрузки фильтра не обес¬ печивается, применяют водовоздушную или поверхностную промывку. Поддерживающие и фильтрующие материалы при загрузке фильтров сле¬ дует укладывать слоями строго горизон¬ тально. Крупность зерен загрузки и вы¬ 138
сота слоя должны соответствовать про¬ екту. Отклонения отметок слоев на от¬ дельных участках не должны превышать 4—5 мм. Горизонтальность слоев можно проверять по уровню воды, напускаемой в фильтр после укладки каждого слоя. Несоблюдение этих требований мо¬ жет привести к смещению слоев загруз¬ ки при промывке фильтров, к утечке песка в резервуары чистой воды, к появ¬ лению воронок в песке, что приводит к необходимости укладки новой загрузки в фильтры. Фильтрующая способность загрузки фильтра может снижаться в результате отложения на поверхности песка органи¬ ческих соединений, частичек глины или микроорганизмов. Восстанавливают фильтрующую способность загрузки об¬ работкой ее 2—3 %-ным раствором кау¬ стической соды на глубину 7—10 см в течение 12—24 ч, после чего фильтр промывают. Одновременно загрузку фильтра обрабатывают хлорной водой с концентрацией хлора 3 г/л. Поскольку под заниженными участ- Глава 10 УДАЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ИЗ ВОДЫ МЕТОДОМ 10.1. Теоретические основы и классификация методов флотации Гетерофазные примеси из воды можно выделить, используя явление избира¬ тельного смачивания, лежащее в основе процесса флотации. Сущность этого про¬ цесса заключается в специфическом дей¬ ствии молекулярных сил, способствую¬ щих слипанию взвешенных веществ с пузырьками высокодиспергированного в воде воздуха и образованию на поверх¬ ности воды пенного слоя, насыщенного извлекаемым веществом. Элементарный акт пенной флотации состоит в том, что при сближении в воде газового пу¬ зырька с гидрофобной поверхностью ча¬ стички взвеси разделяющий их тонкий слой становится неустойчивым и разры¬ вается при достижении некоторого кри¬ тического значения. Вследствие кратковременности сопри¬ косновения пузырька и частички при их столкновении (0,001—0,002 с) вероят- ками желобов песок промывается более интенсивно, чем под завышенными, в фильтре могут образовываться непро¬ мытые уплотненные зоны с прогресси¬ рующим загрязнением песка. В зонах чистого песка в это время могут появля¬ ться воронки. Поэтому при нарушении горизонтальности кромок промывных же¬ лобов их необходимо выравнивать, до¬ водя до нормы + 2 мм. Необходимо постоянно следить, что¬ бы уровень воды в фильтрах не опус¬ кался ниже 2 м, поскольку возникающее при этом разрежение (по отношению к атмосферному давлению) будет восста¬ навливаться за счет выделяемых из во¬ ды газов. Накапливающиеся в процессе промывки газы могут смещать гравий¬ ную и песчаную загрузки. Эксплуатация напорных и безнапор¬ ных фильтров аналогична. Загружают их через люк, устроенный в корпусе. В процессе работы в корпусе фильтра собирается воздух, для автоматическо¬ го выпуска которого желательно уста¬ новить вантуз с обратным клапаном. ФЛОТАЦИИ ность слипания определяется кинетикой формирования краевого угла смачи¬ вания. Масса флотируемых частичек не долж¬ на превышать силы их прилипания к газовым пузырькам и подъемной силы последних. Оптимальная крупность из¬ влекаемых частичек находится в преде¬ лах 10_3 —10-1 см. Высокодисперсные примеси (частички диаметром менее 5— 10 мкм) флотируются очень плохо и ухудшают извлечение крупных частичек. Интенсификация процесса флотации до¬ стигается гидрофобизацией поверхности дисперсных примесей реагентами, ко¬ торые, избирательно сорбируясь на по¬ верхности частичек, понижают их сма¬ чиваемость, в результате чего улучшает¬ ся прилипание частичек примесей к пу¬ зырькам воздуха. В некоторых случаях флотационную очистку воды сочетают с обработкой ее растворами коагулянтов и флокулянтов. При этом выделяющиеся А1 (ОН)3 или Fe(OH)3 сорбируют загрязняющие во¬ 139
ду примеси, поверхность образующихся сверхмицеллярных агрегатов гидрофоби- зируется либо самими сорбированными веществами, например нефтями, либо добавлением поверхностно-активных веществ. После флотационного разделе¬ ния гидрофобный осадок отработанных гидроксидов занимает значительно ме¬ ньший объем и влажность его ниже, чем осадка, выделенного при отстаивании, что весьма важно, особенно при дезак¬ тивации воды. В качестве гидрофобизирующих фло- тореагентов применяют анионоактивные, катионоактивные и неионогенные по¬ верхностно-активные вещества. Они сор¬ бируются на границе раздела твердая фаза — вода так, что полярные группы обращены к поверхности частичек, а неполярные — в воду, вследствие чего взвешенные вещества гидрофобизи- руются. В случае флотации солей щелоч¬ но-земельных металлов и основных ми¬ нералов-оксидов обычно применяют выс¬ шие жирные кислоты и щелочные мыла, а также анионоактивные вещества — натриевые сульфаты высших спиртов, алкил- и алкиларилсульфонаты, содержа¬ щие углеводородные цепи с 12—18 ато¬ мами углерода. При флотации кварца и кислотных минералов используют ка- гионоактивные вещества — высшие али¬ фатические амины и соли четвертичных аммониевых оснований, содержащие цепи с 12 и более атомами углерода. Для флота¬ ции взвешенных веществ с аполярной поверхностью (уголь, графит и др.) применяют различные масла, в состав которых входят углеводороды. Реагентами-вспенивателями служат ве¬ щества, способные к адсорбции на гра¬ нице раздела вода — воздух и умеренно стабилизирующие пену. Для этих целей используют продукты, содержащие тер- пеновые спирты, одноатомные алифати¬ ческие спирты с 6—8 атомами углерода, крезолы и ксиленолы, монометиловые и монобутиловые эфиры полипропилен- гликолей и др. Для регулирования ще¬ лочности воды применяют известь, со¬ ду, серную или соляную кислоту. Флотацией воду можно освобождать не только от суспензированных твер¬ дых примесей, но и от нефтепродуктов, масел и других эмульгированных жид¬ ких веществ, а также от отдельных ионов растворенных в воде веществ, например радиоактивных. В последнем случае добавляемые реагенты должны образовывать поверхностно-активные комплексы с извлекаемыми ионами. При пропускании через такую систему инертного газа на поверхности в виде пены накапливаются образовавшиеся поверхностно-активные комплексные со¬ единения, содержащие извлекаемую при¬ месь. Если в растворе есть несколько растворенных веществ с различной по¬ верхностной активностью, то в проце¬ ссе флотации возникает перспектива фракционного их разделения. Исследователями установлена перспек¬ тивность дезактивации радиоактивных вод, содержащих Sr90, Y90, Nb95, Cs134, введением в них твердых носителей (гид¬ роксидов железа (III) и алюминия, ферроцианида меди) с последующей фло¬ тацией при добавлении соответствующих флотореагентов. В настоящее время применяется мно¬ жество методов насыщения жидкости пузырьками воздуха, среди которых по размерам пузырьков воздуха или газа можно выделить следующие: флотация с выделением воздуха из раствора — вакуумные, напорные и эрлифтные ус¬ тановки; флотация с механическим дис¬ пергированием воздуха — импеллерные, безнапорные и пневматические установки; флотация с подачей воздуха через по¬ ристые материалы, электрофлотация. 10.2. Флотационные установки Флотационные установки применяют для предварительного осветления и обес¬ цвечивания маломутных цветных вод поверхностных источников (рек, озер, водохранилищ) в хозяйственно-питьевом или при соответствующем обосновании в промышленном водоснабжении. Они устраиваются при строительстве новых и реконструкции действующих водо¬ очистных сооружений (переоборудова¬ ние отстойников, осветлителей со слоем взвешенной контактной среды, отдель¬ ных емкостей и т. д.). Возможность и це¬ лесообразность их устройства в каждом конкретном случае обосновывается тех¬ нологическими испытаниями или опытом работы установок в подобных условиях. 140
Содержание взвешенных веществ в воде, поступающей на флотационные ус¬ тановки (в расчете на высокодисперсную, труднооседающую взвесь), не должна превышать 150 мг/л, цветность — 200 град. В технологии очистки воды практиче¬ ское применение получили пневматиче¬ ские и механические флотационные ус¬ тановки. В пневматических установках насыщение воды воздухом и его диспер¬ гирование осуществляются воздухом, вы¬ деляющимся из воды в результате из¬ менения давления, в механических — турбиной насосного типа. Пневматические флотационные уста¬ новки могут быть напорными и вакуум¬ ными. Установка напорной флотации вклю¬ чает следующие основные технологи¬ ческие элементы: флотационную каме¬ ру, узел подготовки и распределения водовоздушной смеси, систему сбора и удаления флотационной пены. На рис. 10.1 представлена схема фло¬ тационной камеры. Поступающая на обработку исходная вода 1 с введенными в нее реагентами (коагулянт, флоку- лянт, первичный хлор, известковое мо¬ локо и т. д.), пройдя камеру хлопьеобра¬ зования, поступает на осветление во флотационную камеру 2, представляю¬ щую собой прямоугольный или круг¬ лый (в плане) железобетонный резер¬ вуар. Одновременно сюда же дырчатой распределительной системой 10 из напор¬ ного резервуара вводится водовоздуш¬ ная смесь. Мельчайшие пузырьки возду¬ ха прикрепляются к хлопьям скоагули¬ рованной взвеси и поднимают их вместе с загрязнениями на поверхность воды во флотационной камере, образуя слой пены 3. Для создания направленного движения потока воды и предотвращения циркуляции в зоне осветленной воды предусмотрено устройство под углом 60—70° струенаправляющей перегород¬ ки 9. Двигаясь вдоль нее, осветленная вода направляется под подвесную стен¬ ку 5 и через регулируемый водослив 6 отводится в канал осветленной воды 7, из которого по трубопроводу 8 поступает на фильтровальные установки. Для от¬ вода флотационной пены 3 предусмот¬ рены легкие подвесные лотки 4, в кото¬ рые она периодически или постоянно Рис. 10.2. Схема установки для подготовки водовоз¬ душного раствора: / — компрессор; 2, 10 — обратные клапаны; 3 — вентиль; 4, 8 — расходомеры; 5 — напорный резер¬ вуар; 6 — манометр; 7 — предохранительный клапан; 9 — регулирующий клапан; // — насос; 12 — уров¬ немер; 13 — отвод водовоздушной смеси; 14 — под¬ держивающая металлическая или деревянная ре¬ шетка сбрасывается при подъеме уровня воды во флотационной камере 2. Для удаления пены могут применяться также ленточ¬ ные или помещенные на подвижную те¬ лежку скребковые механизмы. Удельная нагрузка на 1 м2 площа¬ ди флотационной камеры составляет 6—8 м3/ч, длительность пребывания воды в ней — 20—30 мин, высота слоя воды — 1,5—2,5 м. Схема установки для подготовки во¬ довоздушной смеси представлена на рис. 10.2. Профильтрованная вода подво¬ дится к насосу, подается в верхнюю часть напорного резервуара, разбрыз¬ гивается дырчатой распределительной системой и стекает тонким пленочным слоем по загруженной в резервуар ке¬ рамической насадке в виде колец Рашига размером 25x25 или 50x50 мм. В ниж¬ нюю часть резервуара компрессором с ра¬ бочим давлением 0,6—0,8 МПа подается воздух, который, двигаясь навстречу стекающей воде, образует водовоздуш¬ ную смесь, поступающую во флотацион¬ ную камеру. Длительность контакта воды и воздуха составляет 2—3 мин. Устой- 141
1 2 J Рис. 10.3. Схема механической флотационной уста¬ новки с центробежным импеллером. чивый режим работы установки обеспе¬ чивается поддержанием постоянного уровня водовоздушной смеси в баке. Это достигается устройством системы ав¬ томатизации, которая координирует ра¬ боту уровнемера 12 и регулирующего клапана 9. Схема наиболее распространенной ме¬ ханической флотационной установки с центробежным импеллером приведена на рис. 10.3. Импеллер 1, представляющий собой диск с радиальными лопатками, укреплен на вертикальном валу 2, по¬ мещенном в обсадной трубе 3. Верхний конец обсадной трубы находится над уровнем пены, а нижний опирается на приемный колпак с присоединенной к нему надимпеллерной крышкой. При вращении импеллера в приемном кол¬ паке создается вакуум, вследствие чего в него засасывается обрабатываемая во¬ да и воздух. Водовоздушная смесь вы¬ брасывается в нижнюю часть камеры, а собирающийся на поверхности слой пены сгоняется в лоток. Очищенная вода отводится из нижней части камеры. Объем W и поверхность F флотацион¬ ных камер рассчитывают по формулам W 117 = 0,025Qt; F = — , h где Q — расход обрабатываемой воды, м3/ч; t — длительность флотации, мин; h — рабочий уровень слоя воды во фло¬ тационной камере, м. Общую высоту камеры принимают на 0,4—0,5 м выше рабочего уровня воды. Флотационные камеры с турбинами насосного типа принимают квадратными (в плане) с длиной стороны Ь, равной 6d (d — диаметр турбины, м). Поверхность /, обслуживаемая одной турбиной, не более 36d2, необходимое число турбин п = F/f. В одной большой камере можно размещать два-три блока флотомашин с самостоятельными воздушными тру¬ бами, отбойниками и приводами. Количества воздуха qB и воды qu2o, засасываемых турбиной, составляют <7в = 0,000278С, ?Нг0 = (хш V 2gH, где С — расход воздуха на единицу пло¬ щади флотационной камеры (принимает¬ ся 40—50 м3/ (м2 • ч)); р, — коэффициент расхода, равный 0,65; со — площадь отверстий, через которые обрабатываемая вода поступает к турбине (принимается 0,008—0,010 м2); g — ускорение сво¬ бодного падения; Н — напор, под ко¬ торым вода поступает к турбине (равен кажущейся плотности обрабатываемой воды, насыщенной воздухом, yh.b: Vb = °>67Vh20' где ун2о — плотность воды, МПа). Статический напор Нст, необходимый для преодоления сопротивления стол¬ ба жидкости над турбиной, составляет где ф — коэффициент напора, равный 0,2—0,3; U — окружная скорость, м/с. Мощность на валу флотационной ма¬ шины N при к. п. д. флотомашины т] = = 0,2...0,3 составляет .. ^н.в^ст ^Н2о) N — . 102г) Число оборотов «об и мощность элек¬ тродвигателя лгэл рассчитывают по фор¬ мулам поб = 60n/nd-, ыэл - KN/H]3JI, где d — диаметр турбины, м; К — коэф¬ фициент запаса, равный 1,1—1,4; т]эл— к. п. д. электродвигателя. Электродвигатель размещают над по¬ верхностью воды во флотационной ка¬ мере с пропуском вала по воздушной трубе. Пеносниматель снабжен отдель¬ ным электродвигателем с редуктором. Скорость вращения пеноснимателя 15 об/мин. Пеносборный резервуар рас¬ считан на полутора-двухчасовое пребы¬ вание обводненного флотируемого ве¬ щества. Объем и высоту камер при напорной флотации также рассчитывают по при¬ 142
веденным ранее зависимостям. Расход потребляемого воздуха составляет при¬ мерно 0,9—1,2 % общего количества об¬ рабатываемой воды. Флотационные установки при подаче воздуха через различные пористые ма¬ териалы по сравнению с рассмотренны¬ ми выше способами насыщения жидкости воздухом отличаются простотой кон¬ струкции флотационных камер, умень¬ шением энергозатрат, отсутствием слож¬ ных механизмов (насосы, импеллеры). Их недостаток — возможность зараста¬ ния и засорения пор и трудность под¬ бора мелкопористых материалов, обес¬ печивающих подачу мелких и близких по размерам пузырьков. В электрофлотационных установках обрабатываемую воду пропускают в по¬ ле между электродами, на поверхности которых образуются пузырьки газа (во¬ дород, кислород). Могут применяться нерастворимые и растворимые электроды. При использовании растворимых элект¬ родов процесс электрофлотации сопро¬ вождается процессом электрокоагуляции, что повышает эффективность флотации. 10.3. Пуск, наладка и эксплуатация флотационных установок Перед пуском флотационных установок должны быть произведены гидравличе¬ ские испытания всех систем и устранены обнаруженные недостатки. В напорных установках особое внимание уделяется испытанию узла подготовки и системы подачи водовоздушной смеси. При этом руководствуются нормативами «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» Госгортехнадзора СССР. Для проверки надежности работы узла подготовки во¬ довоздушной смеси флотационную ка¬ меру заполняют до рабочего уровня пред¬ варительно осветленной или хозяйствен¬ но-питьевой водой. Затем включают на¬ сос, компрессор и устанавливают рабо¬ чие давление и уровень водовоздушной смеси в напорном баке, давление в тру¬ бопроводах и расчетные расходы воды и воздуха. Проверяют визуально рабо¬ ту распределительной системы. Если устойчивая водовоздушная эмульсия (мо¬ лочного цвета) образуется равномерно по всей площади флотационной камеры, работу распределительной системы счи¬ тают нормальной. В период опытной эксплуатации фло¬ тационной установки наблюдают за рав¬ номерностью распределения водовоздуш¬ ной смеси в толще воды, степенью ее осветления, скоростью образования пены. Для осветления воды флотацией ре¬ комендуется использовать очищенные ко¬ агулянты (растворы неочищенных коа¬ гулянтов предварительно отстаивают в течение 20—30 мин). Дозы реагентов и расход водовоздушной смеси подби¬ рают таким образом, чтобы количество взвеси в воде, поступающей на фильтры, не превышало 8—15 мг/л, поскольку повышенное содержание приводит к за¬ грязнению последних воздухом, который собирается, как правило, на поверхно¬ сти взвешенных частичек. Эффективность хлопьеобразования повышают добавле¬ нием флокулянтов и продувкой воды воздухом в смесителях. Дозы флоку¬ лянтов выбирают с учетом конкретных условий и могут изменять по временам года. Во избежание разрушения пены во флотационной камере и исключения воз¬ можности вторичного загрязнения во¬ ды необходимо постоянно следить за равномерностью образования флота¬ ционной пены по всей поверхности ка¬ меры, корректировать периодичность и продолжительность ее удаления. Регулярно, не реже одного раза в три месяца, проверяют работу распредели¬ тельной системы во флотационной каме¬ ре. Поверхность воды при этом пол¬ ностью освобождают от пены. Полное опорожнение флотационной камеры от воды, ее промывку, осмотр и очистку отверстий распределительной системы во¬ довоздушной смеси производят не ре¬ же одного раза в шесть месяцев. При эксплуатации флотационных ус¬ тановок и их оборудования необходимо соблюдать общие правила эксплуата¬ ции водопроводных очистных сооруже¬ ний, санитарные правила и правила техники безопасности. 143
Раздел III УДАЛЕНИЕ ИЗ ВОДЫ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Глава 11 ХЛОРИРОВАНИЕ И ИОДИРОВАНИЕ ВОДЫ 11.1. Контроль процесса и методы обеззараживания воды Полное удаление болезнетворных микро¬ организмов при осветлении и обесцве¬ чивании воды Коагулированием с после¬ дующим отстаиванием и фильтрованием не обеспечивается даже при условии предварительного хлорирования воды. Примерно 1—10 % хлоррезистентных бактерий, среди которых могут оказать¬ ся и болезнетворные, сохраняют свою жизнеспособность. Процесс обеззараживания воды кон¬ тролируют, определяя общее число бак¬ терий в 1 см3 воды (микробное число) и количество бактерий группы кишеч¬ ной палочки в 1 л воды после ее обезза¬ раживания. Согласно ГОСТ 2874—82, общее количество бактерий в 1 см3 не¬ разбавленной воды должно быть не бо¬ лее 100, количество бактерий группы кишечной палочки в 1 л воды (коли- индекс) — не более 3. Объем воды, в котором содержится одна кишечная па¬ лочка (коли-титр), должен быть не ме¬ нее 300 мл. Использование кишечной палочки в качестве контрольного микроор¬ ганизма при оценке эффективности процесса обеззараживания воды обус¬ ловлено тем, что: 1) кишечная палочка всегда присутствует в кишечнике чело¬ века и теплокровных животных; 2) ее наличие свидетельствует о загрязнении воды фекальными сточными водами; 3) она безвредна и является лишь ин¬ дикатором, характеризующим бактери¬ альную загрязненность воды; 4) хлор, озон и другие обеззараживающие сред¬ ства убивают кишечную палочку труд¬ нее, чем другие патогенные микроорга¬ низмы, вызывающие желудочно-кишеч¬ ные заболевания; 5) присутствие кишеч¬ ной палочки в воде определить значи¬ тельно проще, чем другие микроорга¬ низмы кишечной группы. Обеззараживание воды на коммуналь¬ ных и промышленных водопроводах мо¬ жет быть достигнуто применением окис¬ лителей (хлор и его соединения, озон, перманганат калия, иод и др.), термо¬ обработкой, действием ультрафиолето¬ вого и ионизирующего излучения, ультра¬ звука, фильтрованием. Метод обеззараживания воды следует выбирать с учетом: качества воды, эф¬ фективности ее очистки, надежности обеззараживания, технико-экономиче¬ ских соображений, возможности авто¬ матизации процесса, механизации тру¬ доемких работ, условий хранения реа¬ гентов. 11.2. Хлорирование воды. Общие сведения Впервые обработка больших количеств воды хлором была применена в Германии в 1894 г. А. Траубе, который использо¬ вал в качестве реагента хлорную известь. Благодаря хорошим результатам хло¬ рирование воды вскоре получило повсе¬ местное распространение. В 1910 г. в Англии, Германии и США, а затем и в других странах хлорная известь была заменена газообразным хлором. Хлорирование больших количеств во¬ ды в России было впервые осуществлено в 1910 г. как принудительная мера во время эпидемий холеры на Кронштадт¬ ском и брюшного тифа на Нижегородс¬ ком водопроводе. Таким образом, пе¬ риод с 1910 по 1913 г. является началом развития хлорирования питьевых вод в нашей стране. Вначале воду хлориро¬ вали раствором хлорной извести. Первые
опыты по применению газообразного хлора были осуществлены в 1917 г. на Петроградской водопроводной станции. Однако широкое использование газо¬ образного хлора для дезинфекции воды началось лишь в период социалистиче¬ ской индустриализации, когда в 1928— 1930 гг. появились первые аппараты- хлораторы отечественной конструкции. Хлорирование является наиболее рас¬ пространенным, а иногда и единствен¬ ным процессом, используемым на оте¬ чественных водопроводах с целью дез¬ инфекции воды. Хлорируют воду не только из открытых источников, но и почти из всех артезианских скважин. При хлорировании воду обрабатывают газообразным хлором или препаратами, содержащими активный хлор 1 — гипо¬ хлоритами кальция или натрия, хлор¬ ной известью, оксидом хлора (IV), хлор- аминами. 11.3. Хлор и его соединения Хлор — ядовитый газ, в 2,45 раза тя¬ желее воздуха. Может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. При атмосфер¬ ном давлении (0,1 МПа) хлор представ¬ ляет собой газ зеленовато-желтого цве¬ та с резким, неприятным запахом. Жид¬ кий хлор (ГОСТ 6718—68) — подвиж¬ ная маслянистая жидкость с плотностью при температуре 15 °С 1,427 г/см3. С понижением температуры до —102 °С хлор твердеет, образуя мелкие кристал¬ лы темно-оранжевого цвета с плотно¬ стью 2,147 г/см3. Растворимость хлора в воде убывает с повышением температуры примерно так: Температура воды, °С 0 1 20 25 Растворимость хлора, г/л 14,60 9,97 7,29 6,40 При охлаждении хлорной воды до температуры замерзания она разделяет¬ ся на чистый лед, лишенный даже запаха хлора, и гидрат С12 • 8Н20. 1 Активный хлор — хлор, входящий в со¬ став хлорсодержащих веществ и способный при определенном значении pH выделять эквивалент¬ ные количества иода из водных растворов ио- дида калия. Жидкий хлор, согласно ГОСТ 5.1288— 72, содержит не менее 99,8 % С12, в воде растворяется плохо. Содержание воды в жидком хлоре составляет не более 0,06 мае. %. Ввиду плохой растворимости жидкого хлора в воде воду на водопро¬ водах хлорируют только газообразным хлором. Хлорная известь СаС120 представляет собой белый порошок с резким запахом и обладает сильными окислительными свойствами. Ее получают воздействием хлора на сухую гашеную известь: Са (ОН)2 -f- С12 -*■ СаС1аО + Н20. Во влажном воздухе под действием оксида углерода (IV) хлорная известь постепенно разлагается с выделением хлорноватистой кислоты: 2СаС1гО + С02 + Н20 -*■ СаС03 + СаС12 + + 2НСЮ. Хлорид кальция, входящий в состав хлорной извести, являясь гигроскопич¬ ным веществом, ухудшает качество ре¬ агента. Поэтому хлорную известь сле¬ дует хранить в затемненном, сухом, вентилируемом помещении в закрытой (но не герметически) таре. Содержание активного хлора в хлорной извести в зависимости от ее марки составляет 32—35 %. Гипохлорит натрия NaCIO • 5Н20 кристаллогидрат, легко переходит в NaCIO • Н20. Получают электролизом раствора NaCl без диафрагмы. При этом вначале выделяются С12 (на аноде) и NaOH (на катоде), которые, взаимо¬ действуя друг с другом, образуют NaClOi С1г + 2NaOH NaCIO + NaCl + Н20. Гипохлорит кальция Са(С10)2 — бе¬ лый порошок с содержанием Са(С10)2 до 90 %, стойкое вещество. Получают насыщением хлором водной суспензии гидроксида кальция при температуре 25—30 °С: 2Са (ОН)2 + 2С12 Са (С10)2 + СаС12 + 2Н30. Содержание активного хлора в гипо¬ хлорите кальция в зависимости от спо¬ соба его получения составляет 40—72 %. Хлорит натрия NaC102 — сильный окислитель. В твердом состоянии он негорюч и не самовоспламеняется, од¬ нако при соприкосновении с органиче¬ скими веществами (древесина, резина 145
и др.) может самовоспламениться. Ра¬ створимость хлорита натрия в воде при температуре 5 °С составляет 340, при 60 °С—550 г/л. При pH=2 хлорит натрия разлагается с образованием С102 и НС1, при pH » 4 разложение заметно за¬ медляется, а при pH « 7 он не разла¬ гается. В щелочных растворах устой¬ чив и может сохраняться длительное время без изменений, если не подвер¬ гается действию солнечного света. Ис¬ пользуют хлорит натрия для получения оксида хлора (IV). Оксид хлора (IV) представляет собой зеленовато-желтый ядовитый газ с бо¬ лее интенсивным запахом, чем у хлора. Оксид хлора (IV) легко взрывается от электрической искры, на прямом сол¬ нечном свету или при нагревании до температуры свыше 60 °С. При сопри¬ косновении со многими органическими веществ