М.Г. Журба Л.И. Соколов Ж.М. Говорова
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ И
СООРУЖЕНИЙ
в 3 томах
ТОМ 2
очистка и кондиционирование
природных вод
Научно-методическое руководство и общая редакция д.т.н., проф. М.Г. Журбы
2-е издание, дополненное и переработанное
Допущено Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальности «Водоснабжение
и водоотведение» направления подготовки
дипломированных специалистов
«Строительство»
<S
Москва 2004
Издательство Ассоциации строительных вузов

ББК 38.761.1.
УДК 628.1
П79
Рецензенты:
Д.Т.Н., проф., академик РААСНДикаревский B.C.,
Д.Т.Н., проф. Иванов В.Г. (Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения,
кафедра «Водоснабжение и водоотведение»),
зав. каф., Д.Т.Н., проф. Стрелков А.К. (Самарская государственная архитектурно-строительная
академия, кафедра «Водоснабжение и водоотведение»),
инж. Самохин СВ. (ГПИ «Союзводоканалпроект»)
Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М.
Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание второе, переработанное и
дополненное. Учебное пособие. - М.: Издательство АСВ, 2004. - 496 с.
Научно-методическое руководство и общая редакция д.т.н., проф. М.Г. Журбы
ISBN 5-93093-210-7
ISBN 5-93093-263-8
Рекомендовано к изданию Министерством образования РФ по высшему образованию в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению "Строительство"
специальности "Водоснабжение и водоотведение".
В пособии приведены назначение, область применения, физико-химическая и биологическая суть
методов и технологий, конструктивные особенности сооружений и устройств систем водоснабжения. Даны
методики их расчета и проектирования, снабженные необходимыми справочными графическими и табличными
материалами.
Уделено должное внимание инвестиционному проектированию, оценке экологической деятельности
предприятий, надежности н оптимизации систем водоснабжения, организации зон санитарной охраны.
Приведены детальные примеры расчета основных сооружений и установок. Учебно-справочное пособие
предназначено для инженерно-технических работников, преподавателей и студентов вузов, занимающихся
проектированием систем и сооружений водоснабжения.
In the manual the general items of information, purpose, area of application, physical and chemical and biological
essence of methods, tehnologies, structures and devices of systems of water supply are given. The detailed techniques of
their calculation and designing, supplied with necessary help graphic and tabular materials are presented as weli.
The due attention is devoted to ecological and economic aspects of designing and evaluation of reliability of
water supply systems, organization of zones of sanitary protection. In the appendices are given the examples of
calculation of the basic structures and plants. The manual is intended for the engineering and technical workers,
teachers and students of high schools, engaged in designing of systems and structures of water supply.
ISBN 5-93093-210-7 © Журба М.Г^ Соколов Л.И.,
ISBN 5-93093-263-8 Говорова Ж!М., 2004
© Издательство АСВ, 2004

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 8
Введение 9
Том 1. СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ. ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
1. ИНВЕСТИЦИОННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 11
1.1. Классификация инвестиционных проектов 11
1.2. Субъекты инвестиционной деятельности 12
1.3. Виды источников финансирования инвестивдонных проектов 13
1.4. Этапы подготовки и реализации инвестиционного проекта 15
1.5. Порядок разработки, согласования и утверждения обоснований
инвестиций 19
1.6. Состав и содержание обоснований инвестиций 22
1.7. Разработка проектной документации 31
2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ
ВОДОПРОВОДНО-КАНАЛИЗАЦИОННОГО ХОЗЯЙСТВА 40
2.1. Экологические сопровождение и оценка деятельности предприятий 40
2.2. Экологическая оценка объекта строительства 43
2.3. Оценка воздействия объектов хозяйствования на окружающую среду 47
3. СИСТЕМЫ И СХЕМЫ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО
ВОДОСНАБЖЕНИЯ 54
3.1. Классификация систем 54
3.2. Выбор и очередность развития систем 56
3.3. Проектирование зонных систем водоснабжения 59
3.4. Специфика систем водоснабжения в условиях Севера 62
3.5. Локальные системы водоснабжения 69
4. ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 77
4.1. Классификация технической воды по целевому назначению 77
4.2. Схемы водообеспечения предприятий 77
4.3. Требования к качеству воды 80
4.4. Нормы водопотребления для предприятий 92
5. ОЦЕН1СА НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ 95
5.1. Основные понятия 95
5.2. Задачи и методология оценки надежности систем 99
5.3. Основы расчета надежности элементов системы 106
5.4. Расчет надежности стареющих элементов и систем 110
5.5. Надежность функционирования систем подачи и распределения воды 115
5.6. Резервирование и оценка надежности насосных станций 124
5.7. Надежность водозаборных сооружений и станций очистки воды 126
6. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ И ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ РАСЧЕТЫ 130
6.1. Гидрологические изыскания 130
6.2. Расчет внутригодового распределения стока при наличии наблюдений 133
6.3. Определение характеристик расчетного годового стока при
отсутствии данных измерений в проектном створе 139
6.4. Гидрологические и водохозяйственные расчеты при регулировании
стока 143
6.5. Оценка качества воды в районах водозаборов 147

7. ВОДОЗАБОРЫ ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ 155
7.1. Назначение и категории надежности водозаборов 155
7.2. Выбор места расположения и типа водозабора 156
7.3. Конструирование элементов сооружений в водозаборном узле 163
7.4. Оборудоваьгае водозаборных сооружений 183
7.5. Гидравлический расчет элементов водозаборов 194
7.6. Расчеты на устойчивость водозаборных сооружений 205
7.7. Мероприятия по рыбозащите и повышению надежности 209
7.8. Особенности проектирования водозаборов из промерзающих
водоисточников 210
7.9. Проектирование водозаборов из каналов и горных рек 212
7.10. Особенности водозаборов на водоемах 220
7.11. Берегоукрепление 221
8. ВОДОЗАБОРЫ ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ 223
8.1. Условия использования подземных вод. Стадии проектирования
водозаборов 223
8.2. Типы подземных водозаборов и область их применения 227
8.3. Гидрогеологические и гидравлические расчеты водозаборных скважин... 229
8.4. Расчет и конструирование основных элементов скважин 235
8.5. Подбор водоподъемного оборудования 242
8.6. Технология сооружения скважин на воду 249
8.7. Расчет и конструирование шахтных колодцев 259
8.8. Расчет и конструирование горизонтальных водозаборов 268
8.9. Расчет и конструирование лучевых водозаборов 271
8.10. Каптаж родниковых вод 276
8.11. Расчет сборных сифонных и напорных водоводов 277
8.12. Эксплуатация подземных водозаборов 282
Том 2. ОЧИСТКА И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД
9. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД 11
9.1. Состав примесей природных вод 11
9.2. Классификации источников водоснабжения, природных вод и их
примесей 14
9.3. Качество воды поверхностных водоисточников 21
9.4. Качество воды подземных водисточников 26
9.5. Требования к качеству очищенных вод 31
10. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВОДООЧИСТКИ 35
10.1. Эффективность традиционных водоочистных технологий 35
10.2. Системный подход к выбору водоочистных технологий 39
10.3. Технологические схемы очистки поверхностных вод 42
10.4. Технологические схемы очистки и кондиционирования
подземных вод 48
10.5. Классификаторы технологий очистки природных вод 53
11. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВОДООЧИСТКИ И СОСТАВА
СООРУЖЕНИЙ 68
11.1. Методики технико-экономического обоснования 68
11.2. Технико-экономическое обоснование по приведенным затратам 74
11.3. Технико-экономические обоснования инвестирования проектов 79
11.4. Тарифная политика предприятий юдопроюдно-канализационного хозяйства.... 84

12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ
БЕЗРЕАГЕНТНОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД 88
12.1. Определение производительности водоочистных станций 88
12.2. Сетчатые фильтры 88
12.3. Гидроциклонные установки 101
12.4. Сооружения для безреагентного отстаивания воды 110
12.5. Водозаборно-очистные сооружения и устройства 116
12.6. Медленные фильтры 127
12.7. Установки для объемного безреагентного фильтрования воды 131
12.8. Намывные фильтры 137
13. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ
РЕАГЕНТНОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ 138
13.1. Обработка воды химическими реагентами 138
13.2. Электрохимическое коагулирование примесей 152
13.3. Смесители 173
13.4. Камеры хлопьеобразования 184
13.5. Флотаторы 190
13.6. Отстойники 192
13.7. Осветлители со взвешенным осадком 200
13.8. Фильтровальные сооружения с тяжелой зернистой загрузкой 205
13.9. Фильтры с плавающим фильтрующим слоем 225
14. ОЧИСТ1СА ПРИРОДНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ
АНТРОПОГЕННЫЕ ПРИМЕСИ 234
14.1. Виды антропогенных примесей и методы их извлечения 234
14.2. Технологические схемы очистки природных вод, содержащих
антропогенные примеси 237
14.3. Биологические методы очистки воды 245
14.4. Озонирование природных вод 255
14.5. Комплексная обработка воды физико-химическими методами 260
14.6. Адсорбционная глубокая доочистка питьевых вод 264
14.7. Биосорбционная очистка воды 273
14.8. Бытовые устройства глубокой очистки водопроводной воды 275
15. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ, УСТАНОВОК
И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД 286
15.1. Дегазация воды 286
15.2. Стабилизационная обработка воды 295
15.3. Обезжелезивание и деманганация воды 307
15.4. Умягчение воды 329
15.5. Обессоливание и опреснение воды 359
15.6. Фторирование и обесфторивание воды 385
15.7. Удаление бора и бромидов 391
15.8 Удаление кремниевой кислоты 398
16. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ
И ПОДЗЕМНЫХ ВОД 401
16.1. Современные технологии обеззараживания воды 401
16.2. Проектирование систем обеззараживания воды хлорреагентами 402
16.3. Ультрафиолетовое облучение очищенной воды „,, 416
16.4. Обеззараживание воды озоном 421
5

16.5. Физические методы интенсификации процессов
обеззараживания 425
17. ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОМЫВНЫХ ВОД
И ОБРАБОТ1СА ОСАДКОВ ВОДОПРОВОДНЫХ СТАНЦИЙ 429
17.1. Влияние качества промывных вод на водоисточники и работу
очистных сооружений 429
17.2. Выбор технологической схемы и состава сооружений 435
17.3. Расчет сооружений по очистке и повторному использованию
промывных вод 438
17.4. Естественные методы обработки осадков 441
17.5. Искусственные методы обработки 443
17.6. Обработка и утилизация осадков водопроводных станций 457
18. ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ВОДООЧИСТНОЙ СТАНЦИИ 460
18.1. Постановка задачи 460
18.2.Структурные блок-схемы 461
18.3. Математические модели водоочистных станций 464
18.4. Решение оптимизационных задач 470
18.5. Системы автоматического управления водоочистной станцией
в оптимальном режиме 474
19. КОМПОНОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ СТАНЦИЙ ОЧИСТКИ
И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОДЫ 484
19.1. Станции очистки воды из поверхностных водоисточников 484
19.2. Станции подготовки подземных вод 486
19.3. Комплексные станции промводоснабжения 488
Том 3. СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОДАЧИ ВОДЫ
20. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ПОДАЧИ
И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ
20.1. Выбор схемы питания и трассировка водопроводной сети
20.2. Расчет разветвленной водопроводной сети
20.3. Гидравлический расчет кольцевой водопроводной сети
20.4. Применение ЭВМ для гидравлического расчета кольцевой
водопроводной сети
20.5. Оптимизация совместной работы систем подачи и
распределения воды
20.6. Деталировка водопроводной сети
20.7. Проектирование водоводов
20.8. Сооружения и устройства на водоводах и распределительных сетях
21. ЗАПАСНЫЕ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ ЕМКОСТИ
21.1. Безнапорные регулирующие и запасные резервуары
21.2. Напорно-регулирующие сооружения
21.3. Расчет оптимальной регулирующей емкости на ЭВМ
22. НАСОСЫ И НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
22.1. Насосные станции первого подъема
22.2. Насосные станции второго подъема
22.3. Выбор основных типов насосов
22.4. Трубопроводы и арматура насосных станций
22.5. Системы заливки насосов
22.6. Электросиловое оборудование
22.7. Проектирование зданий насосных станций

23. ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
23.1. Основные принципы диспетчеризации систем водоснабжения
23.2. Автоматизация насосных станций
23.3. Автоматизация водозаборных сооружений
23.4. Автоматизация очистных станций
24. ЗОНЫ САНИТАРНОЙ ОХРАНЫ
24.1. Границы зон санитарной охраны источников водоснабжения
24.2. Водоохранные зоны водопроводных систем
24.3. Границы зон санитарной охраны водоводов
25. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ
25.1. Технико-экономическое обоснование систем водоснабжения
25.2. Выбор технологической схемы очистки поверхностных вод
25.3. Выбор технологической схемы кондиционирования подземных вод
25.4. Расчет надежности систем водоснабжения
25.5. Проектирование подземного водозабора
25.6. Проектирование поверхностного водозабора руслового типа
25.7. Гидравлический расчет водопроводной кольцевой сети с
контррезервуаром
25.8. Расчет водопроводной кольцевой сети с применением ЭВМ
25.9. Проектирование водоводов от насосной станции второго подъема
до водопроводной сети
25.10. Определение объема напорно-регулирующего резервуара
25.11. Подбор насосов первого и второго подъема
25.12. Технико-экономический расчет оптимального диаметра труб
25.13. Проектирование станции очистки питьевой воды
25.14. Расчет и подбор вакуум-фильтра и осадительной центрифуги
25.15. Соотношение между единицами измерения концентраций
растворов
Литература
Об авторах

ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящем издании учтены замечания рецензентов и других специалистов по
первому изданию книги, последние изменения и дополнения в нормативных до10'мен-
тах по водоснабжению. Пособие дополнено новыми главами, имеющими актуальное
значение в современных условиях: «Инвестиционное проектирование», «Водообеспе-
чение промышленных предприятий», «Очистка природных вод, содержащих
антропогенные примеси», «Диспетчеризация и автоматизация систем водоснабжения»,
«Технико-экономическое обоснование технологических схем водоочистки и состава
сооружений». Дополнены главы по системам водоснабжения, оценке надежности,
подземным водозаборам, выбору технологических схем водоочистки, проектированию
сооружений для безреагентной и реагентой очистки поверхностных и
кондиционированию подземных вод. Значительно переработана и расширена глава «Примеры расчетов
и проектирования». В книге нашли отражение последние достижения ночных
исследований в области водоснабжения, проводимых в ГНЦ НИИ ВОДГЕО, НИИ КВОВ,
МГСУ и других н^чно-исследовательских и учебных организациях страны. Расширен
информационно-справочный материал по оборудованию и материалам для систем
водоснабжения, поставляемых в Россию зарубежными фирмами.
Пособие рекомендовано к изданию Министерством образования РФ,
Учебно-методическим объединением строительных вузов России по специальности
«Водоснабжение и водоотведение» и Межведомственным Советом Российской Академии наук и
Госстроя России «Химическая технология очистки природных и сточных вод»
(председатель - академик РАН Яковлев СВ.).
Введение, главы 3, 8, 12, 13,19, п.п.5.1,5.3,6.5 нахшсаны д.т.н., проф. Журбой М.Г.,
главы 1,2,4, п.п.11.3, 25.14 - д.т.н., проф. Соколовым Л.И., главы 9,10,11,15, п.п. 25.2,
25.12 - К.Т.Н., с.н.с. Говоровой Ж.М., главы 14, 18 - д.т.н., проф. Журбой М.Г. и к.т.н.
Говоровой Ж.М., глава 16 - д.т.н., проф. Журбой М.Г. и к.т.н. Ваниным В.В., глава 17 -
д.т.н., проф. Журбой М.Г. и д.т.н., проф. Соколовым Л.И.
Отдельные параграфы и главы пособия написаны:
п.п.5.2, 5.4 - д.т.н., проф. Ермолиным Ю.А. и д.т.н., проф. Алексеевым М.И.,
п.п.5.5-5.7 - к.т.н., доц. Гальпериным Е.М., глава 6 - к.т.н., доц. Лебедевой Е.А. и к.т.н.,
доц. Белым А.В., глава 7 - к.т.н., доц. Мезеневой Е.А.,п.п.9.4,10.4,25.3 - к.т.н., в.н.с. Ив-
левой ГА., п.13.2 - к.х.н., доц. Янковским А.А., п.14.7 - д.т.н., проф. Швецовым В.Н.,
П.П.20.1-20.3,20.6-20.8, главы 21,24 - к.т.н., доц. Медиоланской М.М., глава 22, п.п.20.4,
21.3 - к.т.н., доц. Гудковым А.Г, п. 20.5 - к.т.н., проф. Сомовым М.А., глава 23 - д.т.н.
Лезновым Б.С., глава 25 - к.т.н., доц. Литвиненко Л.Л.
Авторы приносят благодарность д.т.н., проф., академику Российской архитектурно-
строительной академии Дикаревскому B.C., д.т.н., проф. Иванову В.Г. (кафедра
«Водоснабжение и водоотведение» Санкт-Петербургского Университета путей сообщения),
сотрудникам кафедры «Водоснабжение и водоотведение» Самарской ГАСА (зав. каф.,
д.т.н., проф. Стрелков А.К.), инж. Самохину СВ. (ГПИ «Союзводоканалпроект») за
ценные замечания и пожелания, сделанные ими при подготовке рукописи к изданию, а
также сотрудникам издательства Ассоциации строительных вузов РФ (директор -
Никитина Н.С) за подготовку к изданию настоящего пособия.
Замечания и пожелания специалистов по содержанию пособия просьба направлять
по адресу: HPffl ВОДГЕО, лаборатория очистки природных вод и инженерных
сооружений водоподготовки, гМосква, Г-48, ГСП-2, Комсомольский пр., д.42, стр.2., 119992.

ВВЕДЕНИЕ
За последние годы в стране обострились проблемы надежного и рационального
обеспечения населения, промышленных предприятий, сельского хозяйства и локальных
потребителей водой необходимого качества.
Распад союзного государства и последующий за этим продолжительный спад
экономики, переход на рыночные отношения и изменение форм собственности, снижение
на отдельных этапах перестройки страны роли и функций органов санэпиднадзора,
комитетов охраны и использования водных ресурсов - все это негативно сказалось и на
работе водопроводных комплексов, предназначенных для добычи, производства и
распределения среди потребителей воды требуемого качества и под нужным напором.
Несмотря на снижение объемов производства в последнее время продолжается
фиксирование прогрессирующих загрязнений источников водоснабжения и расширение
видов и диапазона концентраций загрязняющих веществ антропогенного (в первую
очередь техногенного) происхождения, попадающих в водотоки и водоемы. Это привело к
тому, что построенные по проектам 50-60-х годов системы водоснабжения населенных
мест и промпредприятий в настоящее время не в состоянии в должной мере решать
возложенные на них задачи. Положение усугубляется и известными трудностями в
подготовке инженерных кадров соответствующей квалификации для предприятий водопро-
водно-канализационного хозяйства, снижением роли и функций ведомственных и
межведомственных комиссий по приему в производство вновь создаваемых и
реконструируемых сооружений, технологий и систем водоснабжения в целом.
Одной из серьезных причин, препятствующих устранению отмеченных
негативных явлений, является сокращение в последние два с половиной десятилетия
подготовки изданий нормативно-справочной и учебной литературы по проектированию систем
водоснабжения и их элементов. Последнее пособие из такого рода - «Справочник
проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промпредприятий» под редакцией
инж. Назарова И. А. был издан в 1977 г.
Между тем, выход в свет новых нормативных до10'ментов и технических указаний
(СанПиН 2.4.1.1074.01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды
централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», «Правила
эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения», г.Москва, НИИ ВОДГЕО, 2000 г. и
др.), создание новых и усовершенствование существующих технологий, сооружений и
устройств систем водоснабжения требует обновления, изменений и дополнений ряда
методик их расчета и проектирования последних.
Настоящее учебно-справочное пособие ставит своей целью восполнить
сложившийся к настоящему времени дефицит технической литературы в данной отрасли с
учетом выхода в свет к 2003 году новых изданий законодательных и
нормативно-технических до10'ментов, касающихся проектирования, строительства и эксплуатации систем
водоснабжения. Оно состоит из трех томов: I - Системы водоснабжения. Водозаборные
сооружения; 2 - Очистка и кондиционирование природных вод; 3 - Системы
распределения и подачи воды.

По структуре и методическому подходу к изложению материала предлагаемое
проектировщикам, строителям и эксплуатационному персоналу водопроводов, экологам и
сотрудникам Центров санэпиднадзора, исследователям и студентам, обучающихся по
специальностям «Водоснабжение и водоотведение» и «Охрана водных ресурсов»
пособие отличается от раннее изданных тем, что в нем приводятся более детализированные
методики и примеры расчетов, взаимоувязанные со вспомогательным справочным
материалом. Даются решения комплекса основных задач по водоснабжению (в том числе,
связанных с усилением антропогенного воздействия на водоисточники). Подробно
излагаются методы определения расчетных расходов воды, основы выбора и
проектирования систем и схем водоснабжения, водозаборов из подземных и поверхностных
источников, сооружений для очистки и кондиционирования поверхностных и подземных
вод, систем подачи и распределения воды в населенных пунктах, напорно-регулирую-
щих сооружений (в том числе с применением ЭВМ и оптимизационным подходом к
работе водопроводных комплексов), насосных станций, оценка надежности систем и эко-
лого-экономические основы проектирования. Даны детальные примеры расчетов
систем сооружений и установок.
По каждому сооружению или комплексу приводятся последовательно: область
применения, назначение, принцип действия и физико-химические основы работы
сооружений и технологий, реализуемых с их помощью; а затем - в общепринятой
последовательности, приводятся расчетные зависимости для определения технологических и
конструктивных параметров сооружений, установок и элементов технологического и
механического оборудования. Практическая реализация представленных в книге методов
расчетов и конструирования подкреплена обширными справочными табличными и
графическими материалами, позволяющими избежать во многих случаях необходимости
обращения дополнительно к другим техническим справочным изданиям.
В каждом из томов пособия приводится список основной литературы по тематике
излагаемого материала.
10

9. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД
9.1. Состав примесей природных вод
Природная вода представляет собой многокомпонентную динамичную систему, в
состав которой входят газы, минеральные и органические вещества, находящиеся в
истинно растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях, а также микроорганизмы.
Из растворенных газов в природных водоисточниках чаще всего присутствуют
кислород, азот, углекислый газ, реже - сероводород, метан и другие. Количественное
содержание газов в воде во многом зависит от их природы, парциального давления,
температуры, состава водной среды и других факторов.
Содержащийся в воде растворенный кислород поступает из атмосферного воздуха,
а также образуется в результате фотосинтеза водорослями органических веществ
(углеводов) из неорганических (угольной кислоты, воды). Содержание кислорода в воде
уменьшается вследствие процессов окисления органических веществ и потребления его
живыми организмами при дыхании. Растворимость кислорода в воде обусловлена
температурой и давлением. Резкое уменьшение содержания кислорода в воде по сравнению
с нормальным свидетельствует о ее загрязнении, а также способствует усилению
коррозии металла котлов, теплообменной аппаратуры, теплосетей и водопроводных труб.
При повышенном содержании кислорода в воде, наоборот, вследствие пассивации
поверхности за счет образования оксидных пленок возможно устранение коррозии.
Присутствие в природных водах растворенного углекислого газа, являющегося
ангидридом очень слабой угольной кислоты, обусловлено биохимическими процессами
окисления органических веществ в водоемах, в почве, а также дыханием водных
организмов и выделением его при геохимических процессах. В природных водах угольная
кислота встречается в форме недиссоциированных молекул Н2СО3, растворенного
углекислого газа СО2, гидрокарбонатных НСО3" и карбонатных СОз^- ионов. В
поверхностных водах содержание свободной угольной кислоты (определяемое в основном
растворимостью углекислого газа из воздуха) незначительно (до 20 мг/л). В подземных водах
ее концентрация достигает 120 мг/л и более.
Повышенное содержание свободной угольной кислоты в воде обычно наблюдается
после очистки воды коагуляцией, поскольку при реакции гидрокарбонатов с кислотой,
образующейся при гидролизе коагулянтов (сульфата алюминия и хлорида железа),
выделяется около 80 мг углекислого газа на 100 мг коагулянта.
Наличие в воде свободной (агрессивной) угольной кислоты вызывает коррозию
железобетонных конструкций, приводит к растворению карбонатной пленки на
поверхности труб и оборудования, узо'дшает работу очистных сооружений в результате
усиленного зарастания отстойников сине-зелеными водорослями.
Сероводород встречается в основном в подземных источниках, образуясь в
результате процессов восстановления и разложения некоторых минеральных солей (гипса,
серного колчедана и др.). В поверхностных водах он почти не встречается, так как
легко окисляется. Появление его в поверхностных источниках может быть следствием
протекания гнилостных процессов и сброса неочищенных сточных вод. Наличие в воде
сероводорода (иногда до 20-40 мг/л) придает ей неприятный запах, интенсифицирует процессы
коррозии трубопроводов и вызывает их зарастание вследствие развития серобактерий.
11

Появление азота в природных водах связано с поглощением его из воздуха,
восстановлением соединений азота динитрифицирующими бактериями и разложением
органических остатков. Растворимость азота в воде значительно меньше, чем кислорода,
однако в связи с высоким парциальным давлением азота в воздухе, в природных водах его
больше, чем кислорода.
Метан чаще всего встречается в подземных водах. Его появление связано с
процессом разложения микробами клетчатки растительных остатков. В поверхностные воды
метан может попадать в результате сброса неочищенных сточных вод.
Взвешенные вещества попадают в воду в результате смыва твердых частиц
верхнего покрова 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 выпадения дождей, таяния снега в горах и развития мельчайших плавающих
живых организмов и водорослей. Повышение мутности может быть вызвано также
выделением из воды некоторых карбонатов, окислением соединений двухвалентного
железа кислородом воздуха, сбросом неочищенных производственных сточных вод и.т.д.
Наличие в воде взвешенных веществ препятствует использованию ее для
хозяйственно-питьевых целей, в теплоэнергетике, на заводах по приготовлению пищевых
продуктов, при производстве бумаги, тканей, кинопленки и пр.
Самыми значительными поставщиками органических веществ в природную воду
является почвенный и торфяной гумус, продукты жизнедеятельности и разложения
растительных и животных организмов, сточные воды бытовых и промышленных
предприятий. Для технологии очистки воды наибольший интерес представляют гумусовые
вещества, разделяемые на гуминовые, ульминовые, креповые, апокреновые (фульвокис-
лоты) и другие кислоты, а также их растворимые в воде соли.
Гуминовые и апокреновые кислоты могут находиться в почве в свободном
состоянии, в виде солей с катионами щелочных и щелочноземельных металлов, комплексных
и внутрикомплексных соединений с железом, алюминием, марганцем, медью и,
наконец, в виде адсорбционных органо-минеральных соединений.
Для водоемов особую опасность представляют сточные воды, в составе которых
есть белки, жиры, углеводы, органические кислоты, эфиры, спирты, фенолы, нефть и др.
Степень окраски природных вод, выражаемая в градусах платиново-кобальтовой
шкалы, называется цветностью. Наибольшую цветность имеют природные воды рек и
озер, расположенных в зонах торфяных болот и заболоченных лесов, наименьшую - в
лесостепных и степных зонах.
Зимой количество органических веществ минимальное, однако в период половодья
и паводков, а также летом в период массового развития водорослей - «цветения»
водоемов - оно повышается. Наличие в воде органических веществ резко ухудшает органо-
лептические показатели воды, повышает цветность, вспениваемость, отрицательно
действует на организм человека и животных.
В большинстве случаев состав природных вод определяется катионами Na"^, К+,
Са2+ и Mg2+ и анионами НСОз', SO4--, €1". Катионы Н+, Ш\^^, Cu2+, Fe2+, РеЗ+, Мп2+, АР+,
и др. и анионы ОН-, СОз^-, NOj", NO3-, F", Br, BOj", HPO42-, HSO4-, HSi03-, HS" и др. в
природной воде содержатся в незначительных количестве, однако их влияние на
свойства и качество воды иногда также очень велико.
12

По содержанию ионов в воде определяют степень ее минерализации (содержание
солей):
М = ^Кат + ^Ан, (9.1)
где М - общая минерализация воды, мг/л;
2_, Кат - сумма катионов, мг/л;
у Ан - сумма анионов, мг/л.
Степень минерализации подземных вод разнообразных по химическому составу
зависит от условий залегания водоносного горизонта и колеблется от 100-200 мг/л до
нескольких граммов на литр. В пресных артезианских водах преобладают катионы и
анионы НСОз'. По мере повышения степени минерализации подземных вод возрастает
относительное содержание ионов Na"^, S04^-, С1-.
Содержание солей в водах океанов и некоторых морей достигает 50 г/л и более
(например, содержание солей в воде Красного моря составляет около 42 г/л). Основными
химическими примесями морских вод являются ионы Na+ и С1% составляющие в сумме
около 30 г/л. Содержание солей в водах внутренних морей значительно меньше.
Например, в воде Каспийского моря содержится около 13 г/л растворенных солей. Черного -
около 16 г/л, Балтийского - около 7,5 г/л.
Катионы Na+ и К+ попадают в природные воды в результате растворения коренных
пород. Так, большое количество ионов натрия поступает в воду в результате
растворения залежей поваренной соли. Преобладание катионов Na+ над катионами К+ в
природных водах объясняется большим поглощением калия почвами и извлечением его из
воды растениями.
Катионы Са2+ и Mg2+ присутствуют во всех минерализованных водах. Их
источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. В
маломинерализованных водах больше всего катионов Сг^+. С увеличением степени мчнерализации
воды содержание ионов кальция быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же
катионов магния в минерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в
соленых озерах - нескольких десятков граммов на 1 л воды. Катионы Са2+ и Mg2+
обуславливают жесткость воды. Хотя они и не приносят особого вреда организму, однако
наличие их в воде в большом количестве нежелательно, поскольку такая 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
оборотного водоснабжения, для питания паровых котлов и использования во многих
отраслях промышленности.
Катионы Fe2+, Fe'^, Мп2+ в истинно растворенном состоянии находятся в очень
небольших концентрациях. Большая часть железа и марганца в природных водах
содержится в виде коллоидов и суспензий. В подземных водах соединения железа и
марганца преобладают в виде гидрокарбонатов, сульфатов и хлоридов, в поверхностных - в
виде органических комплексных соединений (например, гуминовокислых) или в виде
тонкодисперсной взвеси.
13

Соединения азота встречаются в природной воде в виде катионов аммония, нит-
ритных и нитратных анионов. Появление этих анионов в природных водах связано с
разложением различных сложных органических веществ животного и растительного
происхождения, а также с разложением белковых веществ, попадающих в водоемы с
бытовыми сточными водами.
Содержание кремния в природных водах в пересчете на 8{Оз2- обычно достигает
0,6-40 мг/л и лишь в отдельных случаях может повышаться до 65 мг/л. Кремниевая
кислота не вредна для здоровья, однако повышенное содержание ее в воде делает воду не
пригодной для питания паровых котлов из-за образования силикатной накипи.
Наличие в воде более 500 мг/л сульфатов или 350 мг/л хлоридов придает ей
солоноватый привкус и приводит к нарушению деятельности желудочно-кишечного тракта
у людей. Вода с большим содержанием хлорид- и сульфат-ионов имеет также
повышенную коррозионную активность, более высокую некарбонатную жесткость, разрушающе
действует на железобетонные конструкции.
Соединения фосфора встречаются в природных водах в небольших количествах в
виде НРО42" иона и органических комплексов ортофосфорной кислоты или в виде
взвешенных частиц органического или минерального происхождения.
В природных водах в очень малых количествах содержатся ионы F-, Вг, ВОг^ и др.
Эти микроэлементы значительно влияют на здоровье человека.
Катионы РЬ2+, Cu2+, Sr2+, Zn2+, Se2+, As3+, As5+ и многие другие, относящиеся к
ядовитым, в природных водах в естественном состоянии встречаются, как правило в
незначительных количествах и попадают в них в больших количествах в результате сброса
неочищенных бытовых и промышленных сточных вод.
При обнаружении в воде нескольких токсичных веществ (за исключением
фторидов, нитритов и радиоактивных) сумма их концентраций, выраженная в долях от
максимально допустимых концентраций каждого вещества в отдельности, не должна
превышать 1. Расчет ведется по формуле:
с. с, с„
-^ + -^ + --- + -^<\ (9.2)
С С С
где с,, С2, ..., Сп - обнаруженные концентрации, мг/л;
С,, Сз, ..., Сп - максимально допустимые концентрации, мг/л.
Природные воды населяет огромное количество микро- и макроорганизмов
животного и растительного происхождения: вирусы, бактерии, простейшие, водоросли,
высшие растения и животные, которые также существенно влияют на физико-химический
состав воды.
9.2. Классификации источников водоснабжения,
ПРИРОДНЫХ вод и их ПРИМЕСЕЙ
Состав природных вод, концентрации и агрегативно-кинетическая устойчивость
содержащихся в них примесей, являются основополагающими при оценке пригодности
воды для использования ее различными категориями потребителей. По целевому
назначению воду классифицируют как используемую для: хозяйственно-питьевых целей;
пищевой промышленности; орошения полей и сельскохозяйственных нужд; паросилового
хозяйства; охлаждения производственного оборудования; технологических целей
предприятий; заводнения нефтяных пластов и др.
14

Традиционно природные источники, используемые для целей
хозяйственно-питьевого водоснабжения подразделяются на две основные группы:
- поверхностные источники: реки, озера, водохранилища, каналы, моря, ледники;
- подземные источники: различные типы подземных вод (артезианские, грунтовые,
верховодка, подрусловые и т.д.), родники.
Распространенными источниками промышленного водоснабжения чаще всего
являются поверхностные и частично минеральные воды.
Примером, иллюстрирующим попытку дифференцировать водные объекты,
пригодные в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения по ряду показателей с
целью определения необходимой технологии водоподготовки, может служить санитарная
классификация поверхностных и подземных источников, принятая в СаПиН (проект),
рассматриваемом взамен ГОСТ 2761-84. Согласно ей (табл.9.1,9.2), выделяются три класса
поверхностных источников в зависимости от качества исходной воды по coBOi^rraocTH
показателей, определяющей степень ее подготовки. На стадии проектирования водоочистной
станции класс источника определяется проектной организацией на основании ежемесячных
данных анализов качества воды в месте предполагаемого водозабора, полученных не менее
чем за последние три года - для поверхностных, и год - для подземных источников.
Рекомендуемые методы подготовки воды питьевого качества из источников
водоснабжения:
1 класса - фильтрование с реагентной обработкой или без нее, обеззараживание;
2 класса - коагулирование, отстаивание, фильтрование, обеззараживание;
при наличии фитопланктона - микрофильтрование;
3 класса - основные методы - то же что и для 2-го класса, а также дополнительно:
вторая ступень осветления, окислительные и сорбционные методы
и более эффективные методы обеззараживания.
Таблица 9.1
Санитарная классификация поверхностных источников питьевого водоснабжения
Наименование показателя
Мутность, мг/л, не более
Цветность, град., не более
Запах при 20 и 60°С, баллы, не более
Водородный показатель (рН)
Железо, мг/л, не более
Марганец, мг/л, не более
Окисляемость перманганатная, мгО/л, не б олее
БПК5/БПК„„„„.
БПК„о„„., мгОг/л, не более
ХПК, мгО/л, не более
Общие колиформные бактерии,
КОЕ/ЮОмл, неболее
Термотолерантные колиформные бактерии,
КОЕ/100 мл, не более
Колифаги, БОЕ/100 мл, не более
Цисты лямблий, цист/50 л, не более
Величина показателя по классам
I
20
35
2
6,5-8,5
1
0,1
5
>0,7
3
15
100
20
10
0
2
1500
120
3
6,5-8,5
3
1,0
15
0,7-0,3
5
30
1000
500
10
7
3
10 000
200
4
6,5-8,5
5
2,0
20
<0,3
7
35
5 000
1000
50
15
Как видно из таблицы, весьма широкий интервал предложенных разработчиками
концентраций ингредиентов по классам, установленный для некоторых показателей качества
15

воды (например, по мутности - 20-1500 мг/л, цветности - 35-120 град.ПКШ, и.т.д.)
затрудняет объективное причисление того или иного водоисточника к конкретному классу.
Таблица 9.2
Санитарная классификация подземных источников питьевого водоснабжения
Наименование показателя
Мутность, мг/л, не более
Цветность, град, не более
Водородный показатель (рН)
Железо, мг/л, не более
Марганец, мг/л, не более
Сероводород, мг/л, не более
Фтор, мг/л, не более
Окисляемость перманганатная, мгО/л, не
более
Термотолерантные колиформные бактерии,
КОЕ/100 мл
Общие колиформные бактерии,
КОЕ/100 мл
Колифаги, БОЕ/100 мл
Величина показателя по классам
1
1,5
20
6,5-8,5
0,3
0,1
отсутствие
1,5-0,7
5
отсутствие
отсутствие
отсутствие
2
1,5
20
6,5-8,5
10
1
3
1,5-0,7
7
отсутствие
отсутствие
отсутствие
3
10,0
50
6,5-8,5
20
2
10
5
15
не более 10
не более 50
не более 10
Рекомендуемые методы подготовки воды питьевого качества зависят от классов
источников водоснабжения:
1 класса - вода не требует подготовки;
2 класса - отстаивание, фильтрование, обеззараживание;
3 класса - фильтрование с реагентной обработкой, обеззараживанием.
В приведенной выше таблице не нашли отражение такие показатели, влияющие на
компоновку технологической схемы очистки подземных вод, как температура,
щелочность, жесткость и другие, а также стабилизационные критерии и коррозионные
показатели подземной воды. Кроме того, предложенные классификации источников
водоснабжения не учитывает в полной мере наличие в природных водах антропогенных
загрязнений и не позволяет определять максимально-расчетные концетрации основных
ингредиентов, на которые должны быть запроектированы водопроводные очистные
сооружения.
Существует ряд ориентировочно сложившихся в практике водоподготовки
детализованных классификаций природных вод по физико-химическим показателям качества
(табл.9.3) и химическому составу растворенных примесей (табл.9.4, рис.9.2).
В ряде случаев для процессов очистки воды представляет интерес определение
гипотетического состава солей последовательно образующих малорастворимые
соединения при повышении рН, и построение соответствующей диаграммы (рис. 9.1).
Классификация Щукарева С.А., представленная в виде таблицы 9.4,
предусматривает 49 классов природных вод (например, хлоридно-натриевые воды, карбонатно-сульфат-
но-магниевые и т.д.). В качестве классификационного признака принято наличие в воде
концентраций ионов свыше 12,5% от общего их содержания, вьфажаемого в мг-экв.
В соответствии с классификацией Алекина О.А., приведенной на рис. 9.2,
природные воды подразделяются на 3 класса по преобладающему аниону (С-, S% CV) и три
группы по преобладающему катиону (Na+, Са^^, Mg2+). Каждая группа, в свою очередь,
характеризуется тремя типами вод, определяемых соотношением между ионами.
16

Таблица 9.3
Классификация природных вод
Наименование
показателей
Типы природных вод
Значение
Поверхностные воды
Мутность, мг/л
Цветность, град.
маломутные
средней мутности
мутные
высокомутные
малоцветные
средней цветности
высокой цветности
до 50
50-250
250-1500
свыше 1500
до 35
35-120
свыше 120
Подземные воды
Степень
минерализации, г/л
рН
Жесткость общая,
ммоль/л
Железо и марганец,
мг/л
пресные
солоноватые
засоленные
соленые
щелочные
слабощелочные
нейтральные
слабокислые
кислые
очень мягкие
мягкие
умеренно жесткие
жесткие
очень жесткие
группа А
группа Б
группа В
до 1
1-3
3-10
10-50
11-14
8-10
7
4-6
1-3
до 1,5
1,5-3
3-6
6-9
свыше 9
Fe, Мп - в минеральной форме,
Що > 2 ммоль/л
Fe, Мп - в минеральной форме,
Що < 2 ммоль/л
Fe, Мп - в органической форме
F(?*=a
СЗ
И
-■ ч
о
(Ц
Ь-
I
•
■
■
■
СГ=Ъ
HCQ=e
л
и
О)
о
а
О
1 Mg^^c
идЯ~
■ х>
■ 0)
; «^
1 о
• о
', м
0)
1
+
J3
+
га
11^
О
ОС
. S : S
Na+
с,-
II
о
ел
^ 1
о га
га +
2 <1>
Ю=с1
=g
1
м ^
» 1
^ +
и +
^ Я
Рис. 9.1. Диаграмма гипотетического состава солей
17

Таблица 9.4
Mg'^
Са^*, Mg'"
Са'*
Na\Ca^'
Na*
Na*, Mg'"
Классы
1
2
3
4
5
6
7
cr.
Hco;
природных вод по
g
9
10
И
12
В
14
sol-
HCOj
15
16
17
18
19
20
21
hco;
С.А.Щукареву
22
23
24
25
26
27
28
hco;
cr
29
30
31
32
33
34
35
cr
36
37
38
39
40
41
42
sol
cr
43
44
45
46
47
48
49
sol
Толстихиным Н.И. и Дуровым C.A. для сравнения химического состава различных
природных вод были предложены соответственно график-квадрат и сдвоенная
треугольная диаграмма. На графике-квадрате анионы и катионы приведены в процентах к
общему их содержанию в мг-экв. Стороны графика-квадрата представляют собой
координаты содержания ионов: Na'^+ К'^; Са^^ + Mg2+; С1- + SO42-; НСО3' + COj". На
сдвоенной треугольной диаграмме, состоящей из двух треугольников и квадрата,
откладывается катионный (Na+, Са2+, Mg2+) и анионный (С1-, HCOj-, SO42-) состав природных вод, а
в квадрате - их сочетание.
Рассмотренные выше классификации имеют ограниченную область приложения и
учитывают состав только растворенных в воде примесей, относимых к гомогенным системам.
Широкую известность приобрела классификация примесей воды на основании фа-
зово-дисперсного состояния, предложенная Кульским Л.А. В основу ее положено
понятие о фазовом состоянии вещества в водной среде, определяемом в основном
дисперсностью, агрегативной и кинетической устойчивостью частиц. Этот принцип позволил
автору объединить широкий спектр разнообразных по физической, химической и
биологической характеристике примесей, имеющихся в природных и сточных водах, в
четыре обобщающие группы (табл. 9.5).
Таблица 9.5
Классификация примесей по их фазово-дисперсному состоянию
Группа
I
Взвеси
II
Коллоидные
растворы
III
Молекулярные
растворы
IV
Ионные растворы
Характер примесей
суспензии, эмульсии,
микроорганизмы, планктон
коллоиды, высокомолекулярные
соединения, вирусы
газы, растворимые в воде, орган и-
ческие вещества, придающие запах
и привкус
соли, кислоты,основания
Размер
частиц, см
10"^-10"'
IQ-'-lO-'
10"*-! О''
10-'-10"'
Структурные
системы
гетерогенные
гегерогениые
гомогенные
гомогенные
18

IVJI.III
IVIU
Хлоридные(СО
^
^ ,
\ '
^\
>*
Ca^*
Mg'*
Na*
IVIMIl
IVIMII
Ul.lll
Рис. 9.2. Классы природных вод по О.А. Алекииу:
I - HCOj- > Са2+ + Mg2+; П - HCOj- < Са2+ + Mg2+ < НСО3- + SO42-;
III - НСО3- + SO42- < Са2+ + Mg2+; IV - НСО3- = О
Две из них относятся к гетерогенным системам, представленным в воде взвесями,
коллоидами, эмульсиями и пенами. Обязательным признаком гетерогенных систем
является существование поверхностей раздела. Две другие относятся к гомогенным
системам - веществам, образующим с водой молекулярные и ионные растворы. Чем
меньше размер частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде, тем больше величина их
удельной межфазной поверхности, и тем сильнее влияние поверхностных явлений на
свойства системы.
По Л.А.Кульскому, водные дисперсии, содержащие крупные частицы размером
более 10-3 см, обладают, как правило, полной кинетической неустойчивосгью; содержащие
частицы с размером \<^-^-\<^-^ см (суспензии, эмульсии, пены) обладают слабой
интенсивностью теплового движения и невысокой кинетической устойчивостью; содержащие
частицы с размером \<^-^-\<^-^ см (коллоиды) обладают сильно развитой межфазной
поверхностью и высокой кинетической устойчивостью. Растворы высокомолекулярных
соединений представляют собой обычно однофазные термодинамически устойчивые
обратимые системы. Гомогенные системы, представляющие собой истинные растворы
различных веществ, являются термодинамически устойчивыми и могут существовать
без изменения сколь угодно долго. Для большинства из них характерны такие общие
свойства как электропроводность, направленное диффузионное движение молекул и
ионов, гидратация ионов, химический потенциал. Как правило, суммарное содержание
примесей в воде, используемой на хозяйственно-бытовые нужды, не превышает
0,01 моль/л.
В таблице 9.6 приведена классификация взвешенных веществ по гидравлической
крупности - скорости осаждения частиц взвеси в неподвижной воде при температуре 10° С.
19

Таблица 9.6
Классификация взвешенных веществ
Взвешенные
вещества
Песок:
крупный
средний
мелкий
Ил
Мелкий ил
Глина
Мелкая глина
Коллоидные
частицы
Гидравлическая крупность,
мм/с
100
50
7
1,7-0,5
G,0-1,7) 10'^
5,0 10"^
G,0-1,7) 10"^
7,0 ■ 10*
Приблизительный размер
частиц взвеси, мм
1
0,5
0,1
E,0-2,7) 10"^
A,0-0,5) 10'^
2,7 ■ W'
A,0-0,5) 10"'
A,0-0,01) Ю""
По мнению специалистов фирмы «Дегремон», в случае растворения макромолеку-
лярных веществ в воде подобного точного равновесия, которое существует между
кристаллическим веществом и насыщенным раствором, не создается. Кроме того, раствор
макромолекул обычно содержит молекулярные частицы различных веществ. Поэтому
при очистке воды необходимо учитывать размер растворенных частиц и их
электрический заряд (электрокинетический или потенциал поверхности - ф-потенциал). В связи с
этим предложено различать следующие суспензии и растворенные вещества
(см.табл.9.7).
Таблица 9.7
Растворы и суспензии
Группа
Взвешенные вещества
Коллоидные частицы
Растворенные вещества
Размер
частиц, см
1-10"^
\0'^-Ш^
<10"''
Вещества
песок A - 10"' см),
ил B10"'-210"^ см),
глина B10"^- ГЮ"* см),
бактериальные загрязнения, план ктон
смог, пары
соли, основания, кислоты
Принцип деления растворенных веществ на группы в зависимости от размера
частиц широко используется при оценке области применения мембранных методов
разделения жидких систем.
Рассмотренные в данном разделе примеры классификаций природных вод
представляют собой интерес для общей оценки качества вод природных водоисточников и,
в отдельных случаях, могут быть применимы для обоснования того или иного
технологического процесса и метода очистки. Однако, они не дают возможности в должной
мере решать задачу по выбору комплексной технологии водоподготовки. Последняя
базируется на анализе данных по качеству очищаемой воды, оцениваемого по ряду
определяющих ингредиентов, фазово-дисперсному состоянию примесей, временному фактору
присутствия основных ингредиентов в заданном интервале концентраций и известных,
апробированных в практике водоподготовки, методов очистки.
20

9.3. Качество воды поверхностных водоисточников
Основным источником централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения
в большинстве регионов Российской Федерации (РФ) и стран СНГ являются
поверхностные воды рек (водохранилищ) и озер, на долю которых приходится 65-68% от общего
объема забора воды.
При выборе технологий водоподготовки первостепенную роль играет объективная
оценка источника хозяйственно-питьевого или технического водоснабжения.
Гидрохимический режим поверхностных водоисточников формируется в условиях интенсивной
хозяйственной деятельности на водосборах. К природным и техногенным факторам,
влияющим на качество природных вод, относятся: геоморфологическое строение
водоисточника, климатические условия, поверхностный и почвенный покров, источники
образования поверхностных и подземных вод, техногенные нагрузки (рис.9.3).
Анализ гидрохимической и санитарно-гигиенической информации по динамике
изменения качества воды в сопоставлении с данными многолетних наблюдений по их
режиму уровней воды в водоисточнике позволяет в первом приближении выявить для
конкретного водоисточника доминирование тех или иных природных факторов при
формировании качества природных вод, установить корреляционные связи между характером
изменения концентраций ингредиентов природного происхождения (мутности, цветности,
перманганатной окисляемости, содержания хлоридов, сульфатов, солей кальция, магния и
др.) и фазами водного режима источника: зимней и летней меженью, весенним и осенним
паводком и т.д.
Повсеместное загрязнение природных вод источников хозяйственно-питьевого
водоснабжения России примесями антропогенного и техногенного происхождения,
наблюдаемое в последние десятилетия, обуславливается в большей степени
поступлением в них более 55 км^/год неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод:
хозяйственно-бытовых и промышленных; талых и ливневых вод с селитебных территорий,
животноводческих комплексов, мелиорованных сельхозугодий и т.д.
Номенклатура и количество загрязняющих веществ, попадающих в поверхностные
воды, весьма разнообразны и зависят от профиля и объема промышленных и
сельскохозяйственных предприятий, расположенных в районе водосбора; эффективности и
надежности технологий очистки бытовых и промышленных сточных вод, сбрасываемых в
водоисточник, и других факторов (рис. 9.3, 9.4).
Основными антропогенными загрязнениями являются нефтепродукты, пестициды,
соли тяжелых металлов, поверхностно-активные вещества, азотные соединения (азот
аммонийный, нитриты и нитраты) и фенолы. Многие из них обладают куммутативны-
ми свойствами и могут в значительной степени изменять гидрохимический режим
водоисточника. Кроме того, при воздействии антропогенных факторов происходит
ухудшение качества воды по содержанию бактериопланктона, гетеротрофных бактерий и
бактерий группы кишечной палочки.
Распространение химических загрязнений техногенного происхождения и их
специфика в источниках питьевого водоснабжения обычно коррелируют с
расположенными в данных районах объектами различных отраслей промышленности (табл. 9.8).
21

о
X
?
о
о
ее
о
(С
к
ее
S
о
(С
н
о
гидрология
^
гидрогеология
'
речной сток
климат
рельеф
почвы, растительный слой
( '
техногенная нагрузка
(лесосплав, судоходство, водозаборы,
рыборазведение, сбросы возвратных вод)
Рис. 9.3. Зависимость качества воды от природных и техногенных факторов
Источники .загрязнения
Природного
происхождения
1
'
о
д
<и
X
<и
о.
1
'
<и Ц.
S 9
а ^
S Й
а и
S 2
tr" о;
«s
Д о
и с
а
с
с
а
к
^ бытовые и промышленные сточные воды
■^ лпвневьге и талые сточные воды
дренажные воды мелиоративных систем
и промплощадок
сбросные воды ТЭС и АЭС
атмосфернь1е выбросы
Рис. 9.4. Источники загрязнения поверхностных вод в районе водозаборов
Высокий уровень загрязнения антропогенного характера отмечается на отдельных
участвсах рек (Волги, Дона, Кубани, Оби, Енисея, Лены, Северной Двины, Охты,
Печоры, Урала, Днепра, Днестра, Прута, Оки, Камы, Томи, Иртыша, Тобола) и озера,
являющихся источниками питьевого водоснабжения, (Онежское, г. Санкт-Петербург);
Среднее, Карелия, Ильмень, Новгородская обл.. В неудовлетворительном состоянии
находятся многие малые реки. Их интенсивное ухудшение по качественным показателям
отмечается в Волгоградской, Самарской областях, в индустриальных центрах Уральского ре-
22

гиона (Пермская, Свердловская, Челябинская области и республика Башкортостан), а
также вблизи крупных промышленных городов (Москва, Санкт-Петербург,
Екатеринбург, Кемерово и др.).
Таблица 9.8
Приоритетные загрязнители по отраслям промышленности
Отрасль
промышленности
ЦБК, деревообработка,
лесная промышленно-
сить
Нефтегазодобыча,
нефтепереработка
Машиностроение,
металлообработка,
металлургия
Химическая,
нефтехимическая
Сельхозпроизводство
Горнодобывающая,
угольная
Легкая, текстильная,
пищевая
Преобладающие виды загрязняющих компоне нтов
Органические вещества (лигнины, глоякол, пирокатехин,
смолистые, жирные вещества, фенол, метилмеркаптан),
аммонийный азот, взвешенные вещества, сульфаты
Нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные
вещества (СПАВ), фенолы, аммонийный азот, сульф иды
Металлы, взвешенные вещества, фтор, роданиды, ци аниды,
аммонийный азот, нефтепродукты, смолы, фенолы, флото-
реагенты
Фенолы, нефтепродукты, СПАВ, полициклические аром а-
тические углеводороды, углеводы, бензопирен, минерал ь-
ные вещества
Азотная группа, взвешенные вещества, белковые
соединения, жиры, пестициды
Флотореагенты, минеральные и взвеше иные
вещества, фенолы
СПАВ, нефтепродукты, органические красители, органич е-
ские вещества
Качество воды каскада водохранилищ Средней и Нижней Волги также претерпело
изменение под действием антропогенных нагрузок. Зафиксированы максимальные кон-
центращ1и по нефтепродуктам на уровне - 130 ПДК, фенолам - до 40 ПДК,
соединениям меди и цинка - 9 и 1,7 ПДК соответственно. Отмечается также присутствие в воде в
период весеннего паводка пестицидов в повышенных концентрациях. Для устьевой
части р. Волги (Астраханская обл.) характерны повышенное содержание азота
аммонийного, нефтепродуктов и высокие показатели перманганатной и бихроматной окисляемости.
Для рек южного региона РФ (Кубань, Белая, Уруп) на отдельных участках
основными примесями техногенного характера являются нефтепродукты, фенолы, соли
тяжелых металлов и биогенные соединения.
Характерными загрязняющими веществами воды в верховьях р. Дон являются ни-
тритный A5-16 ПДК) и аммонийный (8-9 ПДК) азот, сульфаты B-3 ПДК), отмечается
присутствие хлорорганических пестицидов.
Для створов на отдельных участках Нижнего Дона содержание загрязняющих
веществ варьирует в пределах 1-2 ПДК по нефтепродуктам, соединениям меди 5-9 ПДК,
нитратам - 3-6 ПДК, хлорорганическим пестицидам - 3-4 ПДК.
В воде р. Томь - притока Оби, являющейся источником водоснабжения крупных
промышленных центров Кузнецкого бассейна, наряду с нефтепродуктами F-7 ПДК) и
фенолами (до 20 ПДК), присутствуют другие виды фенолов (п-нитрофенол, с-нитрофе-
нол, м-крезолы, хлорфенолы) и специфические примеси - хлорорганические
соединения (табл.9.9).
23

Таблица 9.9
Перечень хлорорганических соединений и их концентрации A995-2000 гг.)
Показатель
Хлороформ
Четыреххлористый углерод
Трихлорэтилен
Трихлорэтан
Тетрахлорэтилен
Значение, мг/л
0,27-0,5
0,02-0,04
0,01-0,1
0,02-0,05
0,01-0,03
ПДК по СанПиН
0,2
0,006
0,06
0,02
Для рек и озер Северо-Западного региона России, характеризующихся наличием
природных органических гумусовых веществ и преобладанием низких температур в
течение года, основным источником загрязняющих веществ являются сточные воды
предприятий химической, деревообрабатывающей промышленности, животноводческих
комплексов и т.д. Концентрации антропогенных примесей значительно превышают
предельно-допустимые, установленные для водоемов хозяйственно-питьевого назначения.
Так, например, в водных объектах республики Карелии превышения ПДК отмечались в
следующих количествах (в % от проанализированньк проб) по: нефтепродуктам - 55,
БПК5 - 40, аммонийному азоту - 14, соединениям меди - 70 и цинка - 45.
Вода р.Северной Двины и ее притоков (Архангельская область) загрязнена
специфическими веществами - лигносульфонатами и ртутью из-за сброса в нее сточных вод
предприятий целлюлозно-бумажной промышленности. Наблюдается довольно высокий
по органическим веществам, аммонийному азоту и другим компонентам уровень
загрязненности водных объектов Вологодской области (реки Кошта, Пельшма, Вологда,
Ягорба и Сухона). Распространенными загрязняющими веществами водных объектов
Новгородской области являются легкоокисляемые органические вещества,
нефтепродукты, соединения меди, железа и марганца, обнаруживаются также пестициды (в
основном хлорорганические) и продукты их распада. Часто вода таких водоисточников
имеет болотистый запах, высокие окисляемость и уровень бактериального загрязнения.
Существенное ухудшение качества воды произошло в источниках питьевого
водоснабжения густонаселенных и промышленных регионов стран СНГ. Наряду с
повышенной мутностью - до 600-800 мг/л, достаточно высокими температурами воды в весен-
не-осенний сезоны года и содержанием фитопланктона - 0,23-0,92 млн.кл./см^ в период
с 1984 по 1995 гг прослеживалось в воде р. Днестр и Прут стабильное содержание
органических веществ антропогенного происхождения. Их максимальные концентрации
на отдельных участках рек в разные годы составляли 23 ПДК - по нефтепродуктам, 30
ПДК - по фенолу, соединениям меди и цинка - 2 и 2,5 ПДК соответственно,
аммонийному азоту и нитратам - 4 и 1,5 ПДК, СПАВ - 1,5 ПДК. Отмечалось присутствие в
меженные периоды хлорорганических пестицидов в концентрациях, превышающих ПДК
в 4-6 раз (ДДТ) и в 2-5 раза для у-ГЦХГ.
В таблице 9.10 представлены некоторые данные наблюдений за период с 1988 по
2000 гг для отдельных водоисточников Центральной части. Западной Сибири,
Северозападного и Южного регионов РФ и стран СНГ по мутности, цветности, содержанию
органических веществ, характеризующихся косвенно показателем перманганатной
окисляемости, нефтепродуктов, фенолов, позволяющие в общем охарактеризовать
реальное воздействие антропогенных факторов на поверхностные водотоки и водоемы.
24

Таблица 9.10
Показатели качества воды в водоисточниках
Водоисточники
Показатели
м,
мг/л
Ц,
фад.
ПО,
мгОг/л
НП, мг/л
Ф, мг/л
Реки
р.Волга (г.Кстово)
р.Волга (г.Саратов)
р.Ока (г.Тула)
р.Ока (г.Рязань)
р.Клязьма'^ (г.Владимир)
р.Которосль (г.Ярославль)
р.Дон (г.Ростов-на-Дону)
р.Кама'' (г.Нефтекамск)
р.Томь (г.Кемерово)
р.Томь (г.Новокузнецк)
р.Уфимка (г.Уфа)
р.Охта"* (г.Сантк-Петербург)
р.Сухона (Вологодская обл.)
р.Вологда (Вологодская обл.)
р.Днестр(г.Каменец-Подольский)
р.Днестр (г.Ваду-луй-Водэ^
0,8-4,6
0,5-3,6
3-20
15-20
5-19
2-30
8-26
30-40
0,3-57
0,2-90
100-150
15-18
10-62
600-850
30-52
20-40
15-70
20-30
30-110
12-80
7-8
2-9
6-65
5-40
20-37
35-64
60-120
10-25
10-30
6-14
6-9
4,5-19
3-11
3-16
7-15
5,6-6,1
7,5-11
1,5-10
4-6
5-8
6-9
10-12
22
4,1-8,6
0,6-0,8
1,8
0,2-2,0
0,07-0,5
0,3-2,0
0,1-3,0
0,15
0,4
0,1-0,6
0,1-0,6
0,9-3,5
4,2
3
0,4
0,9
0,1-0,4
0,001-0,006
0,001-0,02
0,001-0,008
0,001-0,16
0,04-0,1
0,01-0,03
0,001-0,002
0,001-0,002
0,001-0,008
0,001-0,007
0,04-0,05
0,014
0,006
0,007
0,03
0,002-0,006
Водохранилища
Угличское (г.Дубна)
Волгоградское (г.Камышин)
Куйбышевское^ (г.Нижнекамск)
ПДК по СанПиН
6-7,9
9,8-12
9,5-11
1,5
70-86
60-65
50-75
20
13-15,1
12,5
9-11
5
0,19-0,3
0,1
0,0027-0,004
0,001-0,002
0,005
0,001
Примечания: Условные обозначения: М - мутность, Ц - цветность, ПО - перманганатная
окисляемость, НП - нефтепродукты, Ф - фенолы;
1. Концентрация в воде азота аммонийного в отдельные периоды составляла
2,7 - 9,0 мг/л, свинца - 0,015 мг/л, меди - 2 - 5 мг/л, отмечалось
присутствие хлорорганических пестицидов;
2. Концентрация в воде азота аммонийного составляла 6-7 мг/л,
никеля - 0,2 мг/л;
3. Содержание в речной воде общего железа колебалось в пределах
от 1,5 до 3 мг/л;
4. Концентрация азота аммонийного достигала 3,2 - 7,4 мг/л;
меди - 1,4 - 3,8 мг/л.
5. Концентрация в воде никеля в отдельные периоды составляла
0,28-0,7 мг/л, хрома F"^)-0,05-0,1 мг/л, меди -2,9 мг/л, цинка- 19,5 мг/л.
Ни один водоисточник в России с точки зрения загрязненности диоксинами
полностью не обследован. Имеются лишь разрозненные данные по некоторым, наиболее
загрязненным регионам. Так, например, в республике Башкортостан основными
источниками загрязнения поверхностных водоемов диоксинами являются выбросы химических
предприятий (в частности, ПО «Химпром» и АО «Каустик»), а также продукты
сгорания автомобильного топлива. В таблице 9.11 представлены некоторые сведения по
водоисточникам Башкортостана.
25

Микробное загрязнение поверхностных водоемов за последнее время возросло с
12,5 A991 г.) до 17,7% A996 г.). В значительной степени это связано с ежегодно
увеличивающимся числом аварийных сбросов неочищенных сточных вод, из-за крайне
неудовлетворительного состояния канализационных коллекторов и нарушения в
большинстве случаев режима обеззараживания стоков, сбрасываемых предприятиями
коммунального хозяйства.
Таблица 9.11
Содержание диоксинов в водоисточниках Башкортостана
Водоисточник
Белая
Юрюзань
Ай
Уфа
Зилаир
Сурень
Z ПХДД, пг/л
24,4
9,7
15,1
10,8
18,4
7,1
Z ПХДФ, пг/л
40,0
18,8
34,9
18,4
17,7
14,6
Примечание: ПХДД - дибензо-п-диоксины, ПХДФ - полихлорированные дибензофураны.
При обосновании технологии водоподготовки на базе имеющейся
гидрохимической и санитарно-гигиенической информации актуальной и достаточно сложной задачей
является определение расчетных значений лимитируемых показателей качества воды
источника водоснабжения (см. Том 1, п. 6.5).
9.4. Качество воды подземных водоисточников
Качество подземных вод, используемых в хозяйственно-питьевом водоснабжении
на территории Российской Федерации, отличается достаточным разнообразием и
зависит от условий питания подземных вод, глубины залегания водоносных горизонтов,
состава водовмещающих пород и т. д. Как правило, для питьевого водоснабжения
применяют подземные воды неглубоких горизонтов (до 100-250 м).
Одной из причин загрязнения подземных водоисточников является несоблюдение
режима хозяйственной деятельности в зонах санитарной охраны. Загрязнение
подземных вод происходит в результате техногенного воздействия промышленных и
коммунальных объектов. При загрязнении подземных вод некондиционными
поверхностными водами характерны повышенные концентрации в подземных водах хлоридов,
сульфатов, марганца, железа, фтора, стронция стабильного, общей минерализации,
жесткости и щелочности. В некоторых подземных водах наблюдается повышенное содержание
нефтепродуктов, фенолов, марганца, сульфатов, тяжелых металлов, общих и
специфических органических соединений.
Очаги источников технологических загрязнений сосредоточены в промышленно
развитых регионах Западной Сибири, Южного Урала, Центрального района РФ,
особенно в областях Нижегородской, Тульской, Московской, Пермской, Оренбургской,
Кемеровской, Иркутской.
Преобладающая часть очагов сельскохозяйственных загрязнений выявлена в
Саратовской, Владимирской, Нижегородской, Липецкой областях. Загрязнения,
представленные азотными соединениями, пестицидами и др., попадают из накопителей отходов и
полей фильтрации.
26

в табл.9.12 представлены характерные уровни загрязнений подземных вод,
используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения на территории Российской
Федерации, загрязненных компонентами природного и техногенного происхождения.
Обобщения сделаны по данным обследования подземных вод Центрального района, Западной
Сибири и Южного Урала.
Таблица. 9.12
Категории загрязнений и количественные показатели для грунтовых и артезианских
подземных вод по регионам РФ
Наименование категорий
загрязнений
1
Регионы Российской Федерации
Центральный
район России
2
Южный
Урал
3
Западная
Сибирь
4
СанПиН
2.1.4.1074-
01
5
1. Природные загрязнения
1.1. Макросолевые компоненты
-общая минерализация, мг/л
-сульфаты SO^ , мг/л
-хлориды , мг/л
-гидрокарбонаты НСО-^ , мг/л
-натрии , мг/л
-жесткость общая, ммоль/л
-кальции , мг/л 1
-щелочность общая, ммоль/л.
200-1200
8-450
3-145
6,1-464
7-230
5-15
230-2000
9,6-620
9-270
61-425
10-270
0,2-15
300-2000
5-500
3-300
73-487
1,0-10,0
2,0-200,0
0,1-23,0
<1000
(по сухому
остатку)
<500
:£350
>30
<200
<7,0
>30
>A+Сре/28)
1.2. Растворенные газы, мг/л
-диоксид углерода
-метан (и его гомологи)
-сероводород //2 о
3,6-200
-
до 2,0
10-60
-
до 2,0
10-200
4-50
0,1-1,0
-
<2,0
отс.
1.3. Биологически активные компоненты, мг/л
-бор В
-бром Вг
-фтор F
0,5-2,0
-
0,2-5,0
0,5-4,0
следы-
2,5
0,5-6,5
-
-
0,1-4,0
<0,5
<0,2
0,7-1,5
1.4. Металлы, мг/л
-железо "(^
-марганец -Лай
-стронций стабильный ■Ь''
0,3-25,0
0,1-1,2
2,5-30
1,1-32,2
следы-
0,98
отс-8,0
3,0-30,0
0,1-1,0
отс-8,0
<0,3
<0,1
<7,0
1.5. Биогенные компоненты, мг/л
-азот аммонийный \NHц )
-фосфаты (как железофосфатные
комплексы)
0,1-0,3
-
-
-
0,1-4,5
5-40
:£2,6
27

Продолжение табл. 9.12
1 1 2 1 3 1 4 1 5
1.6. Органические вещества
-цветность, град.
5-60
5-20
14-86
<20
2. Антропогенные загрязнения
2.1. Биогенные компоненты, мг/л
-нитраты no:
-нитриты N0:
-азот аммонийный NH^
10-200
0,01-0,7
0,26-3,9
6-80
отс-0,2
0,57-12,9
5-100
0,05-3,1
0,90-10,3
<45
<3,0
<2,6
2.2. Биологически активные компоненты, мг/л
-бром Вг
следы-0,42
природн.
загрязн.
отс-0,65
<0,2
2.3. Микрокомпоненты (металлы и неметаллы), мг/л
-свинец РЬ
-кадмии Cd (суммарно) {
/~< 6+
-хром L-A*
-медь См (суммарно)
-селен Se
-никель
-мышьяк As
отс-0,06
отс-0,009
отс-0,15
отс-2,7
отс-0,02
отс-0,4
отс-0,05
отс-0,3
отс-
0,003
отс-0,10
отс-4,1
-
отс-0,9
отс-0,06
отс-0,036
отс-0,008
отс-0,08
отс-1,2
отс-0,01
-
1 10-*-
0,15
<0,03
<0,001
<0,05
<1,0
<0,01
^0,1
<0,05
2.4. Органические и неорганические вещества
-нефтепродукты (суммарно),
мг/л
-фенолы, мкг/л
-канцерогенные вещества
группы 3,4-бенз(а)пирена, мкг/л
-толуол, мг/л
-формальдегид, мг/л
-цианиды, мг/л
-роданиды, мг/л
-пестициды хлорорганические
(ХОП):
- Y -ГХЦГ (линдан), мкг/л
-ДДТ (сумма изомеров,
мкг/л)
-пестициды фосфорорганические
(ФОП):
-карбофос, мкг/л
-метафос
-тригалогенметаны, мкг/л
-хлороформ CHClj
0,01-0,3
отс-10
(до 100)
отс-0,007
ото-1,0
отс-0,1
следы-0,1
ОТС-0,1
отс-6,5
отс-4,0
отс-70
отс-25
отс-30
0,02-1,0
отс-7 (до
40)
отс-
0,013
-
отс-0,2
следы-
0,2
отс-0,15
отс-2,0
отс-6,5
отс-50
отс-40
отс-60
0,05-1,8
(до 10,0)
1-25
(до 100)
отс-0,005
-
отс-0,2
следы-
0,1
отс-0,3
отс-4,0
отс-2,6
отс-65
отс-15
10-115
<0,1
<1,0
<0,005
<0,5
<0,05
<0,1
<0,1
<2,0
<2,0
<50
<20
<200
28

Продолжение табл. 9.12
1
-четыреххлористый углерод
-поверхностно-активные
вещества (ПАВ),
анионоактивные, мг/л
-окисляемость перманганатная,
мгОг/л
2
0,3-6,0
отс-2,0
0,4-7,0
(до 26)
3
0,1-3,0
отс-3,0
1,0-13
(до 29)
4
0,2-12
отс-1,2
5,6-12,8
5
<6,0
<0,5
<5,0
Для основного фона природных гомпонентов по данным табл.9.12 характерно
следующее:
- общий уровень минерализации не превышает 2 г/л; причем, типы вод (по
формуле Курлова) могут быть самые разнообразные - от гидрокарбонатно-кальциевых до
сульфатно-хлоридно-натриевых;
- содержание компонентов макросолевого состава достигает: по сульфатам до
620 мг/л, хлоридам до 230 мг/л (с превышением в отдельных случаях до 420 мг/л),
солей жесткости (Са2+ + Mg2+) до 15 ммоль/л (с превышением в отдельных случаях до
26 ммоль/л), щелочности до 11-12 ммоль/л;
- из группы металлов основными лимитирующими компонентами, наиболее часто
встречающимися в подземных водах, являются железо и марганец, их концентрации
могут достигать соответственно 32 мг/л и 5 мг/л. Кроме того, в отдельных водоносных
горизонтах встречается стабильный стронций до 25-30 мг/л;
- органические загрязнения представлены в основном гуминовыми веществами,
фульвокислотами (цветность воды достигает 60-86 град.) и фенолами до 25 мкг/л, что
характерно для районов Западной Сибири;
- окислительно-восстановительный потенциал подземных вод Е, колеблется в
пределах от (-0,480)-(+0,550) В.
Качество подземных вод оценивается также по стабилизационным критериям и
коррозионным показателям (табл.9.13).
Загрязнения подземных вод компонентами антропогенного происхождения
представлены в основном тяжелыми металлами, биогенными компонентами и
органическими веществами. Загрязнения биологически активными компонентами незначительны и
носят эпизодический характер (Вг- до 0,65 мг/л).
По количественному составу антропогенных загрязнений необходимо отметить:
- из группы биогенных элементов - присутствие нитратов до 200 мг/л,
концентрация аммонийного азота до 13 мг/л, нитритов до 3,1 мг/л;
- из загрязнений тяжелыми металлами и неметаллами обнаружено наличие в
подземных водах значительных концентраций кадмия до 0,009 мг/л (до 9 ПДК), свинца до
0,06 мг/л B ПДК), хрома по Сг+б до 0,15 мг/л C ПДК), меди до 4,1 мг/л D ПДК),
никеля до 0,9 мг/л (9 ПДК), мышьяка до 0,15 мг/л C ПДК), селена 0,02 мг/л B ПДК);
- из загрязнений органического происхождения в подземных водах присутствуют
общие органические соединения (нефтепродукты, фенолы, СПАВ), специфические
компоненты (толуол, формальдегид, тригалогенметаны), пестициды (хлорорганические
и фосфорорганические).
29

Таблица 9.13
Критерии стабильности и коррозионной активности подземных вод
Наименование показателей
Индекс стабильности, ед. рН
-1[^, (по Ланжелье)
- /д , (по Ризнеру)
Показатель стабильности
Потенциал осаждения \Х , мгСаСО^ /л
(по Колдуэллу-Лоуренсу)
Показатель коррозионной активн ости,
экв
Наиболее встречающиеся
значения показателей
(-3,5)-(-2)
8,5-15,0
0,4-0,8
(-250)-(-20)
<0,1
<0,1

Регламентируемые показатели
> 0 (не более
+0,3')
6,0-7,0
не менее 1
4-10
>0,45
>0,35
Примечания: Ii= рН - РН^, 1ц = 2pHs,
сг
sol
Пг =
нсо.
СГ +SO^'
Наиболее представительными из органических загрязнений являются
нефтепродукты - 1,8 мг/л A8 ПДК), что особенно характерно для нефтеносные районов
Западной Сибири. Выявлены значительные концентрации фенолов - цо 25 ПДК (до
0,025 мг/л), при этом единичные концентрации достигают 0,1 мг/л A00 ПДК).
Концентрация поверхностно-активных веществ (ПАВ) в подземной воде составляет
до 3 мг/л F ПДК), причем в других водоносных горизонтах ПАВ могут отсутствовать.
Из специфических органических загрязнений в подземных водах обнаружены:
- формальдегид - до 0,1 мг/л B ПДК);
- соединения тригалогенметанового ряда: хлороформ до 115 мг/л, четыреххлорис-
тый углерод до 12 мкг/л B ПДК);
- из ароматических углеводородов: толуол - до 1 мг/л B ПДК), бензол - 0,04 мг/л
D ПДК).
Канцерогенные вещества группы 3,4-бенз(а)пирена находятся в подземных водах
на уровне ПДК, однако, в водах Южного Урала зафиксировано единичное превышение
ПДК более чем в 2 раза.
В санитарно-эпидемиологическом отношении подземные воды более глубоких
водоносных горизонтов, особенно артезианские воды, являются наиболее безопасными.
Их бактериальные показатели, как правило, не превышают допустимых норм для
питьевой воды. Однако воды верхних горизонтов, в частности, грунтовые подземные воды,
подвержены загрязнениям патогенными бактериями и вирусами из-за недостаточной
защищенности водозаборов с поверхности, что требует особого внимания для
обеспечения их обеззараживания.
30

в целом следует отметить, что в условиях хаотичных бесхозяйственных сбросов
сточных вод и загрязнения поверхности земли различного рода свалками
промышленных отходов водоносные горизонты подземных вод оказываются бактериально
загрязненными вследствие развития в почве патогенной микрофлоры.
9.5. Требования к качеству очищенных вод
Основными показателями, определяющими пригодность воды для разных
категорий водопотребителей, является состав и концентрация содержащихся в ней примесей.
По специфике требований к качеству очищенной воды различают воду, используемую
для хозяйственно-питьевых целей, нужд пищевой и бродильной промышленности, для
поения домашних животных и птиц, орошения, для охлаждения элементов
технологических агрегатов в теплоэнергетике и других отраслях народного хозяйства, питания
паровых котлов, технологических целей промышленности, заводнения нефтяных пластов
и др.
Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого
водоснабжения и правила контроля качества воды, подаваемой системами питьевого
водоснабжения населенных мест в России, устанавливаются по СПиН 2.1.4.1074-01, а
локальных систем - по СаНПиН 2.1.4.544-96. В мировой практике используются
нормативы ВОЗ.
Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном
отношении, безвредна по химическому составу и иметь удовлетворительные органолептичес-
кие свойства. Ее безопасность в эпидемическом отношении определяется ее
соответствием нормативам по показателям, представленным в таблице 9.14.
Таблица 9.14
Нормативы по микробиологическим и паразитологическим показателям
Показатели
Термотолерантиые колиформные
бактерии
Общие колиформные бактерии'^
Общее микробное число^
Колифаги'
Споры сульфитредуцирующих
клостридий
Цисты лямблий^
Единицы измерения
Число бактерий в 100 мл'
Число бактерий в 100 мл'
Число образующих колонии
бактерий в 1 мл
Число бляшкообразующих
единиц (БОЕ) в 100 мл
Число спор в 20 мл
Число цист в 50 л
Нормативы
Отсутствие
Отсутствие
Не более 50
Отсутствие
Отсутствие
Отсутствие
Примечания: 1. При определении проводится трехкратное исследование по 100 мл
отобранной пробы воды.
2. Превышение норматива не допускается в 95% проб, отбираемых в точках
водозабора наружной и внутренней водопроводной сети в течение
12 месяцев, при количестве исследуемых проб не менее 100 за год.
3. Определение проводится только в системах водоснабжения из
поверхностных источников перед подачей воды в распределительную сеть.
4. Определение проводится при оценке эффективности технологии
обработки воды.
Органолептические свойства воды должны соответствовать нормативам,
приведенным в таблице 9.15.
31

Таблица 9.15
Нормативы по органолептическим показателям
Показатели
Запах
Привкус
Цветность
Мутность
Единицы измерения
Баллы
Баллы
Градусы
ЕМФ (единицы мутности по формазину)
или мг/л (по каолину)
Нормативы, не более
2
2
20 C5)
2,6 C,5)
1,5 B)
Примечание: Величина, указанная в скобках, может быть установлена по постановлению
главного государственного врача по соответствующей территории для
конкретной системы водоснабжения на основании оценки
санитарно-эпидемиологической обстановки в населенном пункте и
применяемой технологии водоподготовки
Безвредность питьевой воды по химическому составу определяется ее
соответствием нормативам по обобщенным показателям и содержанию вредных и химических
веществ, наиболее часто встречающихся в природных водах на территории РФ, и веществ
антропогенного происхождения (табл. 9.16), образующихся в воде в процессе ее
обработки (табл. 9.17).
Таблица 9.16
Нормативы по обобщенным показателям и вредным химическим веществам
Показатели
Единицы
изм.
Нормативы
(ПДК),
не более
Показатель
вредности'
Класс
опасности
Обобщенные показатели
Водородный показатель
Общая минерализация
(сухой остаток)
Жесткость общая
Окисляемость перманганатная
Нефтепродукты (суммарно)
Поверхностно-активные
вещества (ПАВ), анионоактивиые
Фенольный индекс
ед.рН
мг/л
ммоль/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
6-9
1000A500)^
7,0 A0)^
5,0
1,0
0,5
0,25
Неорганические вещества
Алюминий (А1 )
Барий ( Ва '')
Бериллий ( 5е *)
Бор (В , суммарно)
Железо ( Fe. суммарно) 1
Кадмий ( , суммарно) 1
Марганец (Л4п ^ суммарно)
Медь ( См , суммарно)
Молибден ( Мо , суммарно) 1
Мышьяк ( As , суммарно) 1
Никель (-/V/ ^ суммарно)
мг/л
мг/л
мг/л
Мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
0,5
0,1
0,0002
0,5
0,3 A,0)^ орг.
0,001
0,1 @,5)^
1,0
0,25
0,05
0,1
С.-т.
С.-т.
С.-т.
С.-т.
3
С.-т.
Орг.
Орг.
С.-т.
С.-т.
С.-т.
2
2
1
2
2
3
3
2
2
3
32

Продолжение таблицы 9.16
Нитраты (по N0. )
Ртуть (Hg , суммарно)
Свинец( РЬ , суммарно) 1
Селен ( Se , суммарно)
Стронций (Sf )
Сульфаты E0^ )
Фториды {F у.
для климатических районов 1 и II
III
Хлориды (С/ )
Хром(Сг *)
Цианиды ( CN )
Цинк (Zn^^ )
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
45
0,0005
0,03
0,01
7,0
500
1,5
1,2
350
0,05
0,035
5,0
Орг.
С.-т.
С.-т.
С.-т.
С.-т.
Орг.
С.-т.
С.-т.
Орг.
С.-т.
С.-т.
Орг.
3
1
2
2
2
4
2
2
4
3
2
3
Органические вещества
У -ГХЦГ (линдан)
ДЦТ (сумма изомеров)
2,4-Д
мг/л
мг/л
мг/л
0,002^
0,002'
0,03'
С.-т.
С.-т.
С.-т.
!
2
2
Примечания: !. Лимитирующий признак вредности вещества, по которо\.у установлен
норматив: «с.-т.» - санитарно-токсикологический, «орг.» -
органолептический.
2. Величина, указанная в скобках, может быть установлена по постановлению
главного государственного врача по соответствующей территории для
конкретной системы водоснабжения на основании оценки
санитарно-эпидемиологической обстановки в населенном пункте и
применяемой технологии водоподготовки.
3. Нормативы приняты в соответствии с рекомендациями ВОЗ.
Таблица 9.17
Нормативы по вредным химическим веществам, поступающим и образующимся в процессе
обработки воды
Показатели
Хлор'
- остаточный свободный
- остаточный связанный
Хлороформ (при хлорировании
воды)
Озон остаточный'
Формальдегид (при
озонировании воды)
Полиакрил амид
Активированная кремнекислота
(по Si)
Ед.изм.
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
Нормативы
(ПДК), не
более
0,3-0,5
0,8-1,2
0,2^
0,3
0,05
2,0
10

Показатель
вредности
Орг.
Орг.
С.-т.
Орг.
С.-т.
С.-т.
С.-т.
Класс
опасности
3
3
2
2
2
2
■9858
33

Продолжение таблицы 9.17
Полифосфаты (по РО^ )
Остаточные количества
алюминий- и
железосодержащих коагулянтов
мг/л
мг/л
3,5
см.
табл. 9.16
Орг.
3
Примечания: 1. При обеззараживании воды свободным хлором время его контакта с водой
должно составлять не менее 30 минут, связанным хлором - не менее
60 минут. При одновременном присутствии в воде свободного и связанного
хлора их общая концентрация не должна превышать 1,2 мг/л.
2. Норматив принят в соответствии с рекомендациями ВОЗ.
3. Контроль за содержанием остаточного озона производится после камеры
Смешения при обеспечении времени контакта не менее 12 минут.
Радиационная безопасность питьевой воды определяется ее соответствием
нормативам по показателям общей а - и Р -активности (табл. 9 18).
Таблица 9.18
Нормативы по показателям радиоактивности
Показатели
Общая СХ -радиоактивность
Общая р -радиоактивность
Единицы измерения
Бк/л
Бк/л
Нормативы
0,1
1,0
Показатель
вредности
радиац.
радиац.
Контроль качества воды на уровне государства, ведомства и производства
осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ р 51232-98
Для проведения лабораторных исследований (измерений) качества питьевой воды
используются методики, аттестованные Госстандартом или Госсанэпиднадзором РФ.
34

10. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВОДООЧИСТКИ
10.1. Эффективность традиционных водоочистных технологий
Традиционные технологии водоподготов1си предусматривают обработку воды по
классическим двухступенчатой или одноступенчатой схемам, основанным на
применении микрофильтрования (в случаях наличия в воде водорослей в количествах более
1000 кл/мл), коагулирования воды сернокислым алюминием с последующим ее
отстаиванием или осветлением в слое взвешенного осадка, скорого фильтрования или
контактного осветления и обеззараживания воды хлором. В целях поддержания водопроводных
сооружений в необходимом санитарном состоянии и для частичного обесцвечивания
вод, содержащих гумусовые соединения, осуществляется первичное хлорирование
воды, поступающей на очистную станцию.
В условиях постоянно изменяющегося качества воды и отсутствия его прогноза,
повышенной загрязненности водоисточников промышленными и бытовыми сточными
водами и наличия в них широкого спектра загрязняющих веществ, в том числе и
техногенного происхождения (нефтепродукты, фенолы, пестициды, соли тяжелых металлов,
ПАВ и др.), с одной стороны, и ужесточения требований к качеству питьевой воды,
подаваемой потребителям, с другой, такие технологии не всегда способны обеспечить
нормативную степень очистки по отдельным показателям. Кроме того, нерациональное
использование потенциала сооружений предочистки (водозаборов-ковшей,
фильтрующих каналов, больших искусственных наливных водоемов и «биоплато») приводит к
увеличению в целом грязевой нагрузки на водоочистные сооружения.
Наиболее сложная ситуация в процессе эксплуатации водопроводных станций
складывается в периоды паводков и залповых аварийных выбросов сточных вод, когда
при относительно стабильных уровнях примесей естественного характера,
прогнозируемых по многолетним наблюдениям, зачастую фиксируются достаточно высокие
(пиковые) концентрации токсичных примесей антропогенного происхождения. При этом, в
результате очистки воды традиционными методами могут быть вьщелены из нее в
основном примеси антропогенного происхождения, способные переходить в
нерастворимую форму при введении реагентов или сорбироваться на хлопьевидном осадке,
образующемся в процессе коагуляции.
Вместе с тем, практически не удаляются из воды химические загрязнения
находящиеся в растворенном виде, такие как фенолы, СПАВ, растворенные фракции нефти,
ионы тяжелых металлов (например, Ст^*, Ni2+, В^+, As^+) и др. В таблице 10.1
приведены литературные данные, свидетельствующие о недостаточной эффективности
традиционных технологий очистки воды по отношению к отдельным ингредиентам.
По данным д.т.н. Васильева Л.А. и др. наличие гумусовых веществ, нефти и
нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ, пестицидов приводит в
процессе хлорирования, речной воды к появлению в ней предельных и ароматических
углеводородов (гексан, бензол и др.), альдегидов и летучих хлорорганических
соединений (тетрахлорэтилен, гексахлорэтан, хлорпикрин и др.). Последующее
обеззараживание очищенной воды хлором способствует дальнейшей трансформации этих
соединений и увеличению общего количества примесей примерно в 2,5 раза по сравнению с
начальным.
Во многих случаях на традиционных очистных сооружениях не задерживаются
хлорорганические соединения, которые образуются в процессе первичного хлорирова-
35

ния воды, содержащей органические загрязнения. Наиболее часто отмечается
образование тригалогенметанов, оказывающих общетоксическое действие на живой организм.
Тенденция к увеличению количества образующихся хлорорганических соединений
обусловлена возрастанием антропогенных нагрузок на источники водоснабжения, а
также изменением технологических режимов водоочистки, в частности, применением
повышенных доз хлора и коагулянта и увеличением времени контакта хлора с водой.
Таблица 10.
Эффе1сгивность очистки вод, содержащих антропогенные примеси, на традиционных
сооружениях водопровода
Наименование показателя
Нефтепродукты, мг/л:
Фенолы, мг/л
ПАВ анионоактивные, мг/л
Пестициды, мг/л:
хлорорганические
ДДТ
гхцг
фосфорорганические
тиофос
карбофос
фосфамид
метафос
Концентрация в
исходной воде
1-5
0,05-0,2
1,5-2,5
0,02-0,1
0,2-0,3
1-5
Эффе1сг очистки,
%
20-40
не удал.-5
25-50
80-95
14-30
не удал.
50
65
10
ПДК по СанПиН
0,1
0,001
0,5
0,002
0,002
0,003
0,05
0,03
0,02
Сотрудниками кафедры водоснабжения НГАСА были получены
экспериментальные данные на одной из водоочистных станций г. Нижнего Новгорода по влиянию
хлорирования воды на образование летучих галогенсодержащих органических соединений.
Так, общее содержание последних в воде после первичного хлорирования снизилось с
242 до 235 мкг/л и выросло в питьевой воде до 308 мкг/л (табл. 10.2).
Таблица 10.2
Динамика изменения количественного состава летучих галогенсодержащих
органических соединений (ЛГС)
Показатели,
мкг/л
Метилхлорид
Хлороформ
Четыреххлористый углерод
Дибромхлорметан
Бромдихлорметан
1,2-диххлорэтан
Трихлорэтан
Тетрахлорэтан
1,2-Дихлорэтан
1,1,2,2-Тетрахлорэтан
Хлорбензол
СуммаЛГС

Природная
вода
н/о
н/о
н/о
н/о
н/о
5
20
6
120
45
40
242
Вода после первичного
хлорирования и
коагулирования
н/о
35
5
3
15
5
10
6
100
35
50
235
Вода

питьевая
20
115
8
3
10
5
10
7
60
30
35
308
ПДК по
СанПиН
200
6
10,0
0,2 200
0,02 20
Примечание: Первичное хлорирование воды осуществлялось дозами 3,5-4,0 мг/л, вторичное
- дозами 1,2-0,8 мг/л, доза коагулянта составляла 30-40 мг/л
36

Исследования динамики изменения некоторых соединений, относящихся к группе три-
галогенметанов (хлороформа, четыреххлористого углерода, дихлорэтана и др.) по ступеням
очистки на дейст^ющих водопроводных станциях проводились сотрудниками НИИ ВОД-
ГЕО. Как показали результаты исследований, приведенные в табл. 10.3, наиболее часто в
хлорированной воде обнаруживаются в концентрациях превышающих ПДК четыреххлори-
стый углерод и хлороформ, обладающие канцерогенностью и мутагенностью. По мере
извлечения из воды органических загрязнений снижается и содержание этих хлорорганичес-
ких соединений. Однако обеспечить их нормативные концентрации после всего цикла водо-
обработки на традиционных сооружениях не всегда удается.
Таблица 10.3
Динамика изменения концентраций хлорорганических соединений в воде
по тракту ее обработки
Водоисточники
р.Волга
(г.Саратов)
р.Волга
(г.Самара)
р.Днепр
(г.Запорожье)
р.Днепр
(г.
Днепропетровск)
Октябрьское
вдхр.
(г.Николаев)
р.Дон
(г.Ростов-на-
Дону)
р.Вологда
(г.Вологда)
р.Кама
(г.Пермь)
р.Кинель
(г.Кинель)
вдхр.
(г.Жигулевск)
ПДК
СанПиН2.1.^
Точки
отбора
проб
исх.вода
после I хл.
РЧВ
исх.вода
после I хл.
РЧВ
исх.вода
после I хл.
РЧВ
исх.вода
после I хл.
послеП хл.
РЧВ
исх.вода
после I хл.
РЧВ
исх.вода
после 1 хл.
РЧВ
исх.вода
после I хл.
РЧВ
исх.вода
после I хл.
РЧВ
исх.вода
после I хл.
исх.вода
после I хл.
РЧВ
10
1.1074-01

Хлороформ,
мкг/л
25,3
190,9
71,0
1
12,9
38,5
59,2
152,6
50,1
2,7
3,1
10,2
3,2
14,6
90
198
180/1069
275
82
8,9
114,0
83,1
0,1
2,3
20,3
8,4
73,0
0,1
44,0
53,5
200
Четырех-
хлористый
углерод,
мкг/л
4,0
158,0
80,0
0,5
6,7
146,0
1030,0
180,0
И
12,9
18,1
18,6
1,42
3,2
7,1
1,0
24
1,5
4,45
4,45
0,2
0,1
0,2
3,0
2,5
0,1
0,1
0,1
6
Дихлор
бром-
метан,
мкг/л
0,1
17,5
0,1
2,5
8,3
12,0
76,2
0,1
6,5
7,5
30
Хлор
дибром-
метан,
мкг/л
0,1
0,1
0,1
10,1
44,8
0,1
1,0
1,0
30
Хлор
этан.
мкг/л
н/о
177,0
124,0
н/о
н/о
0,4
6,6
н/о
5,94
5,94
20
200
Примечание: Первичное хлорирование воды осуществлялось дозами 2,0-5,3 мг/л, вторичное
■ дозами 1,2-0,8 мг/л
37

Сотрудниками НИРШОДГЕО экспериментально установлено (д.т.н. Егоров А.И. и
др.), что для предотвращения повышения токсичности воды из-за образования тригало-
генометанов при ее хлорировании необходимо осуществлять преамонизацию с дозой
амония 20-30% по весу от весового расхода активного хлора. Так, при наличии в
исходной воде дихлорбромметана (CHCljBr) - до 1,6 мкг/л и дибромхлорметана (CHClBrj) -
0,5 мкг/л после хлорирования их количество в воде возросло соответственно до 26,7
мкг/л и 20 мкг/л, а хлороформа (CHCI3) - от О до 23 мкг/л. При хлорировании с преамо-
низацией речной воды этот процесс практически исключается или сводится к
минимуму. Доочистка фильтрата после традиционной реагентной обработки воды в
отстойниках и скорых фильтрах с последующей сорбцией на активных углях БАУ или АГ-3
позволяет снизить содержание тригалогенметанов в воде в ~ 12-15 раз.
Реагентная обработка поверхностных вод с целью их осветления и обесцвечивания,
основанная на введении растворов коагулянтов, является неотъемлемой частью
технологического процесса очистки воды на существующих сооружениях. При водоподготов-
ке в качестве коагулянта наиболее часто используется очищенный сернокислый
глинозем, обладающий повышенной чувствительностью к температуре и рН очищаемой воды и
образующий в результате реакции гидролиза рыхлые частицы гидроокиси алюминия. В
последние годы все большее применение находит оксихлорид аллюминия.
В зимнее время при низких температурах воды (менее 4°С), вследствие снижения
вязкости воды и повышения гидратации частиц гидроокиси алюминия, наблюдается
замедление процессов хлопьеобразования и осаждения скоагулированной взвеси. Особо
остро проблема «вялого» протекания процесса коагуляции возникает при обработке
цветных и высокоцветных вод рек и водоемов, характеризующихся наличием
устойчивых органических комплексов, незначительным содержанием взвешенных веществ,
недостаточным щелочным резервом и длительными периодами низких температур (до 6-
7 месяцев в году.
Коагуляционная обработка таких вод и вод, содержащих электрокинетически
устойчивые коллоидные примеси, приводит к перерасходу реагента, увеличению
гидравлической нагрузки на очистные сооружения и, зачастую, к увеличению концентрации
остаточного алюминия в питьевой воде, нормируемого по санитарно-токсикологическо-
му показателю вредности до 0,5 мг/л (табл. 10.4).
Таблица 10.4
Содержание остаточного алюминия в очищенной воде
Водоисточник
р. Прут (г. Кагул)
р. Прут (г. Унгены)
р.Днестр
(г.Кишннев)
р.Вологда (г.Вологда)
р. Лежа
(г. Грязовец)
р.Лоста (пос.Надеево)
Состав
очистных
сооружений
См-КХ-ГО-СФ
См-ОВО-СФ
См-КХ-ГО-СФ
См-КХ-ГО-СФ
См-ОВО-СФ
См-КО
Качество речной воды
мутность,
мг/л
30-50A000)
30-50A000)
60-600A200)
1,13-2,83
1,9-20
0,5-38
цветность,
град
30-35
20-40
10-30E0)
22-123
25-200
40-210

Концентрация
остаточного
алюминия, мг/л
1,1
1,2
0,6
0,5-0,9
0,5-1,5
0,2-0,3
Примечание: Условные обозначения: См - смеситель; КХ - камера хлопьеобразования; ГО -
горизонтальный отстойник; ОВО - осветлитель со взвешенным осадком; СФ - скорый фильтр. В
скобках указаны максимальные зафиксированные концентрации за период наблюдений.
38

Совместная реагентная обработка воды растворами извести, флокулянта и
коагулянта позволяет при рН>7,5 снизить после отстаивания мутность речной воды с 100-
300 мг/л до 50-100 мг/л при одновременном снижении дозы А12(804)з-18Н2О в ~ 1,5
раза. Такой технологический прием исключает в фильтрате превышения допустимых
концентраций остаточного алюминия.
При наличии в поверхностных водах клостридий, цист патогенных кишечных
простейших или колифагов, свидетельствующих о вирусном загрязнении, традиционное
обеззараживание воды хлором оказывается недостаточным, а перехлорирование воды
требует его последующего дехлорирования.
Конструктивные и технологические особенности морально устаревших элементов
и сооружений очистных станций оказывают негативное действие на работу и
эффективность водоочистного комплекса в целом.
Применение в технологических схемах скорых фильтров с тяжелой загрузкой
связано с необходимостью изменения дренажных систем большого сопротивления,
большими энергозатратами на промывку фильтров и необходимостью наличия емкостей для
хранения запаса промывной воды и специальных насосов для ее подачи.
10.2. Системный подход к выбору водоочистных технологий
Повышение санитарной надежности водопроводных очистных сооружений в
зарубежной и отечественной практике осуществляется в современных условиях путем
применения дополнительных методов доочистки воды, таких как озонирование, сорбция,
ионный обмен, обратный осмос и др. Оно, как правило, связано со значительными
затратами на оборудование, электроэнергию, транспортные перевозки и реагенты.
При аварийных сбросах и эпизодическом появлении в водоисточниках
техногенных загрязнений в концентрациях значительно превышающих предельно допустимые
применяется дозирование порошковых угольных сорбентов в аванкамеры насосных
станций первого подъема, либо в трубопровод непосредственно перед фильтрами с
зернистой загрузкой. Для водоисточников, характеризующихся постоянной
антропогенной и техногенной нагрузкой, рекомендуется дополнение очистных сооружений
несколькими ступенями озонирования в сочетании с сорбционным методом, что не всегда
оправдано с технико-экономической точки зрения. Использование таких приемов хотя и
позволят обеспечить получение качественной безвредной питьевой воды, однако,
связано с серьезными проблемами:
- нерациональное использование порошковых угольных сорбентов (снижение их КПД,
большие безвозвратные потери и «экранирование» угля);
- применение дорогостоящего оборудования и сорбентов (так, например, стоимость
получения и использования 1 кгОз/ч колеблется в пределах от 100,0 до 150,0 тыс.$, а
стоимость одного м^ гранулированного угля достигает ~ 1,5-2,5 тыс.$);
- серьезные трудности, связанные с регенерацией отработанных гранулированных
углей в стационарных адсорберах;
Анализ эффективности традиционных водоочистных технологий (п. 10.1) и причин,
препятствующих широкому внедрению дополнительных методов озонирования и
сорбции, стратегия выбора, системный подход к обоснованию технологических схем и
интенсификации водоочистных процессов при проектировании новых и реконструкции
существующих станций очистки воды являются весьма актуальными и требуют
пристального внимания специалистов.
39

Технологии и сооружения подготовки воды питьевого качества в современных
условиях должны:
- обеспечить повышенную барьерную функцию сооружений от попадания в
питьевую воду не только природных, но и примесей антропогенного характера,
предусмотренных СанПиН;
- предотвратить в процессе водообработки образование токсичных хлорорганичес-
ких соединений при первичном хлорировании воды, содержащей в большом
количестве растворенные органические вещества;
- обеспечить гибкость в управлении процессами водоочистки в различные периоды
изменения качества воды на разных по назначению и принципу работы сооружениях,
входящих в единую технологическую схему станций;
- способствовать экономному расходованию электроэнергии, сорбентов,
химических реагентов и эффективным режимам работы энергоемкого оборудования
(озонаторов, флотаторов, установок ионного обмена и др.) при изменяющейся степени
загрязненности исходной воды в разные периоды года;
- максимально использовать методы предварительной очистки воды от грубодис-
персных примесей и органически растворенных веществ непосредственно в
водозаборном узле, сокращая тем самым количество осадков на водопроводных станциях и
эксплуатационные затраты на реагентную обработку.
Действующие в РФ нормативы на источники централизованного
хозяйственно-питьевого водоснабжения и качество питьевой воды, а также рекомендации, нормы и
правила проектирования систем водоснабжения не позволяют в условиях повышенной
антропогенной нагрузки на водоисточники проектировщикам и эксплуатационному
персоналу водоочистных станций (комплексов) в достаточной мере принимать правильные
решения по выбору и интенсификации технологии водоподготовки.
Отмеченные выше аспекты явились предпосылками для разработки авторами
системного подхода к выбору водоочистных технологий. Такой подход состоит в
комплексном анализе и использовании:
- гидрохимической и санитарно-гигиенической информации о динамике
многолетнего изменения качества природных вод в конкретном створе водотока и результатов ее
статистической обработки с целью определения перечня основных загрязняющих
ингредиентов, их максимально-расчетных концентраций, фазово-дисперсного состояния
примесей и продолжительности их присутствия в контрольном створе водозабора за
анализируемый период;
- новых классов и подклассов природных вод по качественному составу,
предложенных для выбора технологий водоподготовки с учетом антропогенной нагрузки на
них, фазово-дисперсного состояния примесей и временного фактора присутствия в
заданном интервале концентраций;
- впервые разработанных классификаторов технологий очистки природных вод,
позволяющих для заданного качества очищаемой воды получить набор нескольких
альтернативных технологических схем водоочистки, реализующих как традиционные, так
и усовершенствованные процессы и сооружения;
- современных методов технико-экономического сравнения и оценки
экологической эффективности технологий для определения наиболее выгодной из них, в том
числе в условиях рыночной экономики;
40

- впервые разработанных и апробированных структурных и математических
моделей оптимизации выбранной технологии водоочистного комплекса в целом с
последующим решением задач, связанных с управлением его работой;
- разработанных систем автоматического управления оптимальными режимами
эксплуатации водоочистных комплексов.
Практическое решение поставленной комплексной научно-технической задачи
базируется на предложенной методологии обоснования надежной и экономичной
технологии водоподготовки. Алгоритм такого обоснования представлен на рис. 10.1.
Определение качества воды по фоновым и
антропогенным ингридиентам в водоисточнике,
определение группы примесей по фазово-
дисперсному состоянию и временого фактора
их присутствия за период наблюдения
Классы II подклассы
водоисточников
Назначение нескольких альтернативных
технологических схем водоочистки и состава
сооружений
Сан.Пин 2.1.4.1074-01
Классификаторы
технологий очистки
природных вод
Технико-экономическое обоснование
технологической схемы и состава очистных
сооружений
П —► min, ЧДД -► max
ВНД -чпах
Назначение определяющих пнгрнднентов
качества обрабатываемой воды и интервалов
варьирования их концентраций .
Определение основных оптимизируемых
параметров работы сооружений водоочистки
II границ их варьирования
Исходные данные для
решения оптимизационных
задач
С-
Построение структурных и математических моделей
оптимизации работы водоочистного комплекса.
Разработка програмного обеспечения
для решения оптимизационных задач
Оптимальные режимы работы
очистных сооружений
ях„.х,„ т>
<■--
Ра.зработка и реализация систем управления работой
водоочистных комплексов в оптимальном режиме
....)
С—■
Поиск методов интенсификации
водоочистных процессов
Рис. 10.1. Алгоритм обосиоваиия и оптимизации водоочистной технологии:
П - приведенные затраты; ЧДД - чистый дисконтированный доход;
ВНД - внутренняя норма доходности; Х1ф, Xia - концентрации сооветственно
фоновых и антропогенных i-ых ингредиентов
Интенсификация отдельных процессов и технологической схемы очистки воды в
современных условиях должна осуществляться в следующих направлениях:
- более широким применением методов биологической и механической предочист-
ки воды (в том числе в руслах водотоков), позволяющих снизить начальные
концентрации загрязнений и гидравлическую нагрузку на основные очистные сооружения;
41

- изменением режима хлорирования, позволяющим сократить дозы и время
контакта хлора с неочищенной водой, заменой хлорирования воды на первичное озонирование
или УФ-облучение;
- применением комплексной обработки воды различными окислителями (озон, пер-
манганат калия, пероксид водорода) при наличии в воде особо токсичных веществ;
- применением более эффективных коагулянтов и флокулянтов для конкретного
состава исходной воды;
- применением смесителей мгновенного действия, лопастных и контактных камер
хлопьеобразования, и камер с псевдоожиженным мелкозернистым слоем;
- повышением эффективности процессов отстаивания и осветления воды путем
использования тонкослойных модулей, рециркуляторов слоя взвешенного осадка;
- использованием инертных фильтрующих загрузок с плотностью больше и
меньше плотности воды, с более развитой поверхностью зерен; применением двух- и
трехслойных загрузок большой грязеемкости, двухпоточного фильтрования;
- усовершенствованием режимов промывки загрузок и конструкций
сборно-распределительных систем фильтровальных сооружений;
- дополнением реагентной технологии очистки озонированием, осуществляемым в
одну или две ступени и сорбционной доочисткой воды с использованием
гранулированных (ГАУ) или порошковых (ПАУ) активированных углей, вводимых в зону глубокого
осветления воды;
- внедрением фильтровальных сооружений комбинированного типа с зернистыми и
гранулированными загрузками с плотностью больше и меньше плотности воды,
волокнисто-гранулированными и осветлительно-сорбционными загрузками. Такие
сооружения позволяют добиться эффективной очистки воды за счет регулирования межпорово-
го пространства, увеличения продолжительности фильтроцикла, уменьшения темпов
роста потерь напора при одновременном снижении эксплуатационных затрат на
промывку фильтрующих загрузок, их доставку к станциям назначения и
планово-профилактические работы.
В целом реализация системного подхода на практике позволяет обеспечить
достаточную санитарную и экологическую надежность станций водоподготовки и экономное
использование дорогостоящих материалов и оборудования в условиях повышенных
антропогенных нагрузок на водоисточники.
10.3. Технологические схемы очистки поверхностных вод
Во всех случаях выбор водоочистных технологий производится на основе
сопоставления качества исходной воды, требований к степени ее очистки и потенциальных
возможностей включаемых в технологическую схему очистки сооружений и устройств,
реагентов и материалов. При этом должны соблюдаться требования к технологиям и
сооружениям, изложенные в предыдущем параграфе, а окончательное решение
производится на основании технико-экономических показателей и определенных оптимальных
режимов работы сооружений при изменяющихся показателях качества исходной воды.
При решении технологических задач по водоочистке и кондиционированию
природных вод для нужд различных потребителей классифицировать существующее
многообразие методов водоочистки можно как по достигаемой цели очистки, связанной с
нормами качества на очищенную воду, так и по характеристике фазово-дисперсного
состава, извлекаемых из воды примесей при ее обработке на водоочистных
водопроводных станциях.
42

Известны следующие группы методов водоочистки «о целевому назначению:
- улучшения органолептических свойств воды (осветление, обесцвечивание,
дезодорация);
- обеспечения эпидемиологической безопасности (хлорирование, озонирование,
электроимпульсная обработка, ультрафиолетовое облучение);
- кондиционирования подземных вод (умягчение, обессоливание и опреснение,
дегазация, обезжелезивание и деманганация, фторирование и обесфторивание,
стабилизационная обработка, обескремнивание и.т.д.);
- извлечения и улучшения газового состава (удаление сероводорода, кислорода,
метана, свободной углекислоты и др.);
- извлечение трудноокисляем ой органики, вредных продуктов, образующихся
попутно при обработке воды (обратный осмос, биосорбция, нанофильтрация и др.
Различают методы очистки и по сути процессов и природе удаляемых веществ:
- при физико-химических процессах удаляются взвешенные и коллоидные
вещества (коагуляция и флокуляция, осаждение и осветление, флотация, фильтрование),
растворенные вещества (мембранная сепарация, адсорбция, ионный обмен);
- при химических процессах осуществляется введение химического реагента в
обрабатываемую воду и осаждение примесей, протекают реакции нейтрализации
окисления и восстановления;
- биологические процессы протекают при аэробной и анаэробной обработке воды,
характеризуются бактериальным окислением-восстановлением.
Различают также методы очистки воды по отдельным процессам извлечения или
снижения концентрации примесей. Например, методы умягчения воды подразделяют на
термический, реагентный, ионообменный, диализ и комбинированный; методы обессо-
ливания воды - на ионообменный, мембранный (обратный осмос и электродиализ) и
дистилляцию. В основу методов дегазации положен принцип воздействия на
обрабатываемую воду (физический, химический, биохимический и сорбционно-обменный).
Стабилизационная обработка воды зависит от знака и значения индекса стабильности и
может осуществляться реагентным, фильтрационным методами и аэрацией.
В таблице 10.5 приведены рекомендуемые процессы для извлечения из очищаемой
воды различных групп примесей, предложенных Кульским Л.А. (см. гл. 9).
Таблица 10.5
Водоочистные процессы для извлечения различных групп примесей
Гетерогенные системы
Группа I
A0-^-10-^ см)
Механическое без-
реагентное
разделение
Окисление хлором,
озоном и др.
Флотация суспензий
и эмульсий
Группа II
A0-^-10"* см)
Мембранное
разделение
Окисление хлором,
озоном и др.
Коагуляция
коллоидных примесей
Гомогенные системы
Группа III
A0-*-10-'см)
Адсорбция газов и
летучих
органических соединений
Окисление хлором,
двуокисью хлора,
озоном, пермангана-
том калия
Экстракция
органически ми
растворителями
Группа IV
A0-'-10* см)
Разделение воды и
ионов мембранными
методами
Перевод ионов в
малорастворимые
соединения, в том числе
и окислением
Сепарация ионов при
различном фазовом
состоянии воды
43

Продолжение табл. 10.5
Адгезия на гидроокисях
алюминия и железа и
высокодисперсных
материалах
Агрегация с помощью
флокулянтов
Эле1сгрофильтрация
суспензий и
эле1сгроудерживание
микроорганизмов
Бактерицидное
воздействие на патогенные
микроорганизмы и споры
Адсорбция на
гидроокисях
алюминия, железа и
на глинистых
минералах
Агрегация с помощью
флокулянтов
катионного типа
Эле1сгрофорез и
эле1сгродиализ
Вирулицидное
воздействие
Адсорбция на
активированных
углях и других
материалах
Ассоциация молекул
Поляризация молекул
в эле1сгрическом поле
Биохимический
распад
Фиксация ионов
на твердой фазе
ионитов
Перевод ионов в
малодиссоцииро
ванные
соединения
Использование
подвижности
ионов в
эле1сгрическом
поле
Микробное
выделение ионов
металлов
Способность множества примесей изменять свое фазово-дисперсное состояние под
влиянием физических и химических факторов, в первую очередь, таких как солевой
состав, температура, рН среды и другие, позволяет широко варьировать приемы и методы
регулирования процессов обработки.
Использование этой методологии при проектировании водоочистных станций
позволяет в первом приближении обосновывать применяемые методы водоподготовки. Что
касается обоснования в каждом конкретном случае технологического комплекса
последовательно работающих очистных сооружений и их экономического обоснования, то
помимо фазово-дисперсного состояния примесей проектировщику необходимо
обосновать учитываемый диапазон концентраций извлекаемых этими сооружениями из
исходной воды различных ингредиентов природного и антропогенного происхождения и
определяющие технологические характеристики конкретных водоочистных сооружений.
На практике принято различать технологические схемы очистки по:
- применению реагентов - безреагентные и реагентные;
- эффекту осветления - для глубокого и неглубокого осветления воды;
- числу технологических процессов - одно-, двух- и многопроцессные;
- числу ступеней технологического процесса - одно-, двух- и многоступенчатые;
- характеру движения обрабатываемой воды - самотечные (безнапорные) и напорные.
Классические технологии осветления, обесцвечивания и обеззараживания
поверхностных вод, реализуемые в мировой практике до 70-80-х годов, основаны на
применении методов осаждения, осветления в слое взвешенного осадка и реагентного скорого
фильтрования. Разработанные еще в 30-40-х гг. прошлого столетия, они обычно
различаются по методам обработки воды, числу технологических процессов и ступеней
каждого процесса, характеру движения воды (напорный и безнапорный), реагентному и
безреагентному режимам обработки воды, строительству сооружений в закрытых
помещениях и на открытом воздухе.
Примеры таких технологических схем реагентной очистки воды при ее самотечном
движении приведены на рис. 10.2., а область их применения в первом приближении - в
таблице 10.6.
44

Для небольших населенных пунктов, питающихся водой цветность которой в
течении года не превышает < 50 град., а взвешенные вещества в ней не обладают высокой
кинетической и агрегативной устойчивостью (обычно в южных регионах стран СНГ)
возможно применение безреагентных технологий (см. главу 12 книги). Такие
технологии базируются на использовании сооружений предварительного осветления воды на
гидроциклонах (при наличии в воде крупных наносов с частицами имеющими
плотность больше плотности воды), сетчатых фильтрах различных конструкций (при
«цветении» воды, содержащей водоросли), в ковшах-отстойниках (при высоких
концентрациях взвеси в воде источника), на предварительных фильтрах с зернистой загрузкой.
Глубокая доочистка воды в таких схемах осуществляется на медленных фильтрах с
размером зерен или гранул равным 0,15 - 0,5 мм при скоростях фильтрования в пределах
от 0,3 до 0,6 м/ч.
а)
,^:^2
3^
{
'ШШ
6
ч
0.0
в)
h
L5.
С
-
3
^~"
1
—^
^:f^
0
7
[ .
10
Рис. 10.2. Технологические традиционные высотные схемы водоочистных станций:
а) - с камерой хлопьеобразования, отстойниками и фильтрами
(Со < 2500 мг/л, Ц < 250 град.);
б) - с осветлителями со взвешенным осадком и фильтрами
(Со < 2500 мг/л, Ц < 150 град.);
в) - с контактными осветлителями (Сд < 120 мг/л, Ц < 150 град.);
1 - насосы I подъема; 2 - реагентное хозяйство; 3 - смеситель; 4 - камера хлопьеобразования;
5 - горизонтальный отстойник; 6 - скорый фильтр; 7 - РЧВ; 8 - насосы II подъема; 9 - осветлитель
со взвешенным осадком; 10 - контактный осветлитель
45

Таблица 10.6
Область применения технологических схем осветления и обесцвечивания поверхностных вод
для хозпитьевых целей
Качество исходной воды
Взвешенные
вещества,
мг/л
Цветность,
град.
Общее
микробное число

Производительность станций
(уточняется ТЭО),
м^/сут
Технологическая схема
и состав сооружений
Безреагентные технологии
<50
50...700
>700
<50
<50
<50
>50
>50
>100
Качество исходной воды
Взвешенные
вещества,
мг/л
Цветность,
град.
Общее
микробное число
1 000
30 000
любая

Производительность станций
(уточняется ТЭО),
м /сут
медленные фильтры-
обеззараживание
гидроциклоны-медленные
фильтры с рыхлением
загрузки и гидросмывом-
обеззараживание
гидроциклоны (сетки)-
префильтры (отстойиики-
ковши)- медленные фильтры с
гидросмывом и рыхлением
загрузки-обеззараживание
Технологическая схема
и состав сооружений
Реагентные технологии
<30...50
<120
<250
<2500
>2500
<150
<150
<250
<500
<500
>50
>50
>50
>50
>50
5000-10000
любая
любая
любая
любая
реагентное хозяйство-скорые
напорные фильтры-
обеззараживание
реагентное хозяйство-
контактные осветлители-
обеззараживание
реагентное хозяйство-
флотаторы-скорые открытые
фильтры-обеззараживание
реагентное хозяйство-
горизонтальные отстойники
(осветлители со взвешенным
осадком)-скорые открытые
фильтры-обеззараживание
первичные отстойники-
реагентное хозяйство-
вторичные отстойники- двух-
ступенные фильтры-
обеззараживание
Пример схемы безреагентной очистки воды на напорных фильтрах с плавающей
загрузкой приведен на рис. 10.3.
Из магистрального водовода 7 вода забирается как на нужды хозпитьевого
водоснабжения после дополнительной очистки (или без нее) и обеззараживания, так и на
различные технические нужды (в данном случае на микроорошение). Наличие в таких
схемах промежуточного резервуара чистой воды 5 - обязательно в тех случаях, когда во-
допотребление из водоразборной сети неравномерно.
46

Рис. 10.3. Система снабжения водой для целей питьевого водоснабжения н орошения с
напорными фильтрами ФШ-1:
1 - водоисточник; 2 - водозабор; 3 - насосная станция I подъема; 4 - узел водоочистки;
5 - резервуар чистой воды; 6 - насосная станция II подъема; 7 - магистральный трубопровод;
8 - распределительная сеть орошения с водовыпусками; 9 - узел обеззараживания; 10 -
распределительная сеть хозпитьевого водоснабжения
Для очистки высокомутных вод с полидисперсной взвесью (С < 5-10 г/л, Ц < 250-
300 град.) могут быть рекомендованы схемы, предусматривающие первичное
хлорирование, отстаивание в ковше, обработку коагулянтами и флокулянтами, радиальное
отстаивание, смешение с растворами юагулянта и флокулянта, юнтактное хлопьеобразова-
ние, отстаивание в тонком слое, скорое фильтрование и обеззараживание (рис. 10.4).
Рис. 10.4. Технологическая схема очистки высокомутных вод:
1 - водоисточник; 2 - ковш-песколовка; 3 - насосная станция I подъема;
4 - смеситель; 5 - первичный радиальный отстойник; 6 - контактная камера
хлопьеобразования; 7 - отстойник с тонкослойными модулями; 8 - скорый фильтр;
9 - РЧВ; 10 - насосная станция II подъема; И - сооружение для обработки промывных вод;
12 - насос для перекачки очищенной промывной воды I - первичный хлор; II - коагулянт;
III - флокулянт; IV - вторичный хлор
47

при таюй сверхвысоюй грязевой нафузке на сооружения особо тщательно нужно
подходить к подбору юнструщий отстойников, режимов их эксплуатации по удалению из них
осадка и его последующего обезвоживания.
Для холодных вод, содержащих в значительном количестве органические
гуминовые вещества, обуславливающие цветность и характеризуемые высокой
защитной функцией коллоидов, целесообразно применение реагентных флотационных
процессов на первой ступени очистки воды (рис. 10.5).
Рис. 10.5 Технологическая схема очистки вод содержащих органические примеси:
I - водоисточник; 2 - насосная станция I подъема; 3 - камера смешения;
4 - флокулятор; 5 - флотатор; 6 - напорный бак; 7 - скорый фильтр; 8 - РЧВ;
9 - насосная станция II подъема; 10 - сооружение для обработки промывных вод;
II - насос для перекачки очищенной промывной воды; 12 - компрессор
I - первичный хлор; II - коагулянт; III - флокулян; IV - вторичный хлор
10.4. Технологические схемы очистки и кондиционирования подземных вод
Подземные воды, используемые в качестве источников водоснабжения,
отличаются от поверхностных значительно большим разнообразием по их качественному
составу. Они менее подвержены сезонным колебаниям, связанным с изменением климата и
воздействием загрязненности селитебных прилегающих территорий. Глубокие
водоносные горизонты более защищены от внешних источников загрязнений. Исключением
являются неглубоко залегающие грунтовые воды и верховодки, имеющие слабозащи-
щенную кровлю и нередко питаемые поверхностным стоком.
Сложный физико-химический состав подземных вод, используемых для
хозяйственно-питьевого водоснабжения, обуславливает многообразие специальных методов их
обработки, и необходимость их классификации. Николадзе Г.И. была предложена
классификация технологий обезжелезивания, деманганации и дефторирования подземных
вод. В общем виде рассматриваемые в ней технологии были подразделены на безреа-
гентные и реагентные с учетом значений окислительно-восстановительного
потенциала, щелочности, температуры очищаемой воды и формы присутствия в ней соединений
железа, марганца и фтора. Область применения той или иной технологии диктовалась
заданным интервалом концентраций основных показателей качества подземной воды,
выражаемых в мг/л: Fe, Мп, H2S, С02(.в. F, 804^", рН, Жк (мг-экв/л) и перманганатная
окисляемость (мгОг/л).
Наблюдаемое в практике кондиционирования подземных вод большое сочетание
различных методов извлечения из них газов, истинно растворенных веществ, солей
жесткости, специфичных биогенных элементов, требует тщательного начального анализа
48

взаимодействия этих методов при различных химических свойствах и отзывчивости
различных ингредиентов на физико-химичесюе и биологическое воздействие на них.
Как правило, экономически выгодную, надежную технологию подготовки подземных
вод можно выбрать лишь на основании проведения технологического моделирования
процессов водоочистки проведенного непосредственно у водоисточника. В таблице 10.7
и на рис. 10.6-10.8 приведены области применения и конструктивные особенности
технологий очистки и кондиционирования подземных вод, разработанные в НИИ ВОД-
ГЕО, фирмой «Дегремон» и другими организациями.
Таблица 10.7
Технологические схемы очистки и кондиционирования подземных вод, содержащих
комплексные антропогенные и природные загрязнения
Технологическая схема
обработки воды
Озонирование-
фильтрование
через кварцевую
загрузку-адсорбция
на rAY-NaClO
Аэрация - дегазация -
коагулирование -
фильтрование - озонирование -
адсорбция на ГАУ - Na-
С10.
Аэрация - дегазация -
обезжелезивание -
адсорбция на ГАУ -
ионный обмен на клинопти-
лолите в Na-форме -
обеззараживание
(NaClO).
Условия применения по качественным
показателям
мутность
цветность
перманганатная ок1^сляемость
фенолы
нефтепродукты
железо
марганец
РН
жесткость
щелочность
мутность
цветность
перманганатная окисляемость
фенолы
нефтепродукты
железо
марганец
рН
жесткость
щелочность
температура
запах (сероводородный)
перманганатная окисляемость
фенолы
цветность
азот аммонийный
метан
углекислота
нефтепродукты
железо общее
марганец
рН
ПАВ
щелочность
1,7-5 @,2-0,6) мг/л
10-30 (< 5) град.
1,4- 14 @,6-1,8) мгОг/л
1-8(<1)мкг/л
до 4,9 (< 0,1) мг/л.
0,2-12 @,1-0,2) мг/л.
до 1,4 @,05-0,1) мг/л
6,3-7,8,
2,8 ммоль/л
2-2,8 ммоль/л
0,4-1,5 @,2) мг/л
3-20 (< 5) град.
2,5 A,8) мгОз/л
1-3 (<1)мкг/л
до 4,9 (< 0,1) мг/л.
до 21 @,05 мг/л.
до 4 @,05) мг/л
6-8
4-8 ммоль/л
1,5-2,5 ммоль/л
1-5°С
3-5 (отс.) балл
до 8 E) мгОг/л
15 (<1)мкг/л
50-100 (8) град.
15 (отс.) мг/л
до 40 @,4) мг/л
до 160 мг/л
до 1 (<0,1) мг/л.
до 12 @,3) мг/л.
до 0,5 @,1) мг/л
6-8
0,5 @,3) мг/л
6,5 ммоль/л
49

Продолжение табл. 10.7
Аэрация - дегазация -
озонирование - фильтрование
(осветление, обезжелези-
вание, деманганация) -
адсорбция на ГАУ - УФ-
обеззараживание.
Варианты:
1. Аэрация - первичное
озонирование - обезжелезивание
- вторичное озонирование -
адсорбция на ГАУ - УФ-
обеззараживание.
2. Аэрация - первичное
озонирование -
обезжелезивание - вторичное
озонирование с УФ
воздействием - введением Н2О2 -
адсорбция на ГАУ - УФ-
обеззараживание
Аэрация - дегазация -
первичное реагентное
фильтрование через загрузку из
цеолита, обработанного
КМпОд (обезжелезивание)
- озонирование -
отстаивание - адсорбция на цеолите
- вторичное реагентное
фильтрование через
загрузку из цеолита,
обработанного КМпОд
(деманганация) - адсорбция на
цеолите - обеззараживание
хлором.
температура
запах (сероводородный)
перманганатная окисляемость
фенолы
цветность
азот аммонийный
метан
углекислота
нефтепродукты
железо общее
марганец
рН
ПАВ
температура
бактериальное загрязнение
перманганатная окисляемость
цветность
марганец
метан
нефтепродукты
3-5 °С
3-5 (отс.) балл
до 25 E) мгОг/л
25 (<1)мкг/л
70 E-10) град.
6,6 (до 0,3) мг/л
до 50 @,5) мг/л
до 200 мг/л
до 2 (< 0,05) мг/л,
до 20 @,05) мг/л,
до 4 @,05) мг/л
6
2 @,3) мг/л
1-3 "С
до10ПДК(отс.)
до 25 E) мгОг/л
50-110 A0) град.
до 2,5 @,05) мг/л
до 50 @,5) мг/л
до 4,9 (< 0,05) мг/л,
Примечание: в скобках указаны значения показателей очищенной воды
В отдельных регионах страны приходится использовать подземные воды,
содержащие такие специфичные загрязнения, как бор, бром, мышьяк, нитраты, тяжелые
металлы и др.
Мышьяк в подземных грунтовых водах может появляться в результате смыва
дождями содержащих его ядохимикатов, применяемых в сельском хозяйстве для борьбы с
вредителями растений, и при фильтрации поверхностного стока в грунт. Основными
способами удаления небольших количеств мышьяка из воды является коагулирование
солями алюминия и железа с введением в смеситель воздуха, отстаивания и
фильтрования через загрузку кварцевых, а затем угольных фильтров. Установлено, что
эффективность очистки солями железа выше, чем солями алюминия и составляет соответствен-
50

но 99 и 90%. Возможно также использование извести в сочетании с порошкообразным
активированным углем. Основную роль удаления мышьяка в этом случае отводят
сорбции его гидроксидом магния при рН = 11,5. Далее следуют процессы отстаивания,
фильтрования и рекарбонизации.
tl Ш IV
Рис. 10.6. Технологическая схема очистки подземных вод аэрацией и реагентным
фильтрированием:
1 - подземный водозабор; 2 - аэрационное сооружение; 3 - камера для ввода реагентов;
4 - скорый фильтр; 5 - резервуар чистой воды; 6 - НС-П; 7 - усреднитель-отстойник;
8 - насос перекачки очищенной промывной воды
I - первичный хлор; II - корректор рН; III - коагулянт; IV - флокулянты;
V - перманганат калия (КМпО^); VI - вторичный хлор
Вариантом существующей технологии является метод фильтрования через
загрузку из оксида алюминия с высотой рабочего слоя 1,2 м, временем контакта воды с
загрузкой - 18 мин, и длительностью фильтроцикла- 33 сут. Эффект очистки при таких
параметрах работы достигает 90%.
Разработана также технология удаления мышьяка основаная на селективном
связывании его с полимерным реагентом и последующим отделением реагента мембранным
фильтрованием.
Дпя удаления тяжелых металлов из подземной воды применяют реагентную
обработку щелочью или сульфатом железа с последующим отстаиванием и фильтрованием.
Эффект удаления в %: цинка - 71; хрома F+) - 97,1; кадмия - 99,5; свинца, меди и
железа- 100.
Очистка подземных вод от железа и марганца в ряде случаев может обеспечить и
одновременное удаление из воды ионов тяжелых металлов. Осадок гидроксида железа
сорбирует кремний и катионы кальция, магния, марганца, цинка. Тяжелые металлы -
кобальт, никель, медь, цинк, молибден и олово эффективно удаляются осадком
гидроксида марганца.
Для извлечения тяжелых металлов предложен представляющий собой
алюмосиликат с нанесенным гидроксидом алюминия. Степень извлечения им кадмия и никеля
достигает соответственно 95 и 96%.
Сопоставление эффективности методов удаления кадмия, свинца, серебра с
использованием умягчения известью, коагуляции, ионного обмена, сорбции на активном
угле, обратного осмоса и электродиализа, показало, что кадмий эффективно удалялся
коагуляцией (как солями алюминия, так и железа и лучше при более высоких рН), и
известью - примерно на 100% в диапазоне рН 8,7-11,3. Свинец эффективно удаляется
коагуляцией и известью, причем более высокие концентрации свинца - известью. Серебро
при коагуляции солями железа и алюминия и обработке известью удаляется на 60-80%.
51

Анализ имеющихся литературных данных по очистке подземных вод от нитратов
с исходной концентрацией от 50 до 200 мг/л позволяет рекомендовать следующие методы
- ионного обмена;
- биологической денитрификации;
- мембранную технологию (обратный осмос, электродиализ).
Задачу удаления нитрат-ионов методом ионного обмена решают как в классической
форме - хлорионированием, так и получившим широкое развитие способом бикарбонат-
ионирования, либо путем использования ионообменника в сульфат - или бисульфат -
форме.
При хлорионировании снижается концентрация нитрат- и сульфат-ионов в
обрабатываемой воде, увеличивается количество хлорид-ионов, а при сульфат-ионировании -
сульфат-ионов, что может быть нежелательным, поскольку содержание хлорид- и
сульфат-ионов в воде питьевого качества ограничено.
Метод бикарбонат-ионирования лишен этого недостатка. Преимущество его
заключается не только в уменьшении концентраций анионов сильных кислот в питьевой
воде, но и в уменьшении ее коррозионной активности. В случае, когда необходимо
получить свободную от нитратов воду с заданным содержанием хлорид-, сульфат- и
бикарбонат- ионов, рекомендуют обрабатывать исходную воду параллельно на анионитах,
содержащих указанные анионы, и смешивать фильтраты ионообменнных фильтров в
требуемых соотношениях.
Применение ионообменной технологии для удаления нитрат-ионов позволяет
смешивать фильтрат с малым остаточным содержанием нитратов (до 5 мг/л) с основным
потоком исходной воды в определенном соотношении, что значительно снижает
затраты на очистку воды.
Эффективность извлечения нитратов и экономичность технологий хлор- и
бикарбонат- ионирования возрастают при применении нитрат-селективных ионитов.
Для регенерации ионитов при хлор-ионировании воды применяют растворы
хлорида натрия, или кальция, или аммония; при бикарбонат-ионировании - бикарбонат
натрия или калия, при сульфат-ионировании - раствор серной кислоты.
Метод биологической денитрификации подземной воды возможен с применением
как автотрофных, так и гетеротрофных микроорганизмов. В производственных
условиях (Франция, Германия) проверен только последний на установках
производительностью от 50 до 400 м^/ч с исходной концентрацией нитратов от 40-60 до 140 мг/л и более.
Источник углеродного питания - уксусная кислота или этиловый спирт с биогенной
добавкой фосфатов или фосфорной кислоты при температуре исходной воды 8-12 °С и
рН = 7-8. При температуре воды +5 °С и ниже процесс превращения азота практически
прекращается. Конечное содержание нитратов - от 5 до 25 мг/л. Процесс очистки
полностью автоматизирован. Очистка воды от нитратов этим способом приводит к
повышению в ней содержания бактерий и органических веществ, что требует дополнительной
очистки каскадной аэрацией, фильтрацией через кварцевый песок или активированный
уголь с последующим обеззараживанием. Второй путь решения проблемы -
использование в схеме доочистки воды подземной инфильтрации.
Литературные данные по удалению нитрат-ионов из подземных вод с помощью
мембранных методов - электродиализа и обратного осмоса ограничены и относятся к
полупроизводственным установкам производительностью от 2 до 7 м^/ч. Для них
необходима тщательная предварительная подготовка воды.
52

Электродиализаторы с селективными ионообменными мембранами снижают
концентрацию нитратов со 100 до менее 25 мг/л при полезном выходе
денитрифицированной воды до 90-95% по расходу и общим обессоливанием воды на 15-20%.
Образующееся количество концентрата нитратов в объеме 5-10% рекомендуют подвергать
биологической денитрификации.
Исследуемые установки обратного осмоса с композитными мембранами обеспечивают
при исходной концентрации нитратов 100 мг/л эффект удаления 93-95% с полезным
выходом воды на 75-80% и соответственно образованием рассола в количестве 20-25% и
затратах электроэнергии 0,95-1,8 кВтч/мЗ. При невозможности сброса рассола в открытые
водоисточники (моря) рекомендовано концентрировать его реверсивным электродиализом или
выпаркой. Такой вариант обеспечивает повышение общего коэффициента использования
воды до 98%.
Методы удаления из воды соединений бора, брома, кремнекислоты описаны в главе 15.
10.5. Классификаторы технологий очистки природных вод
Анализ приведенных выше классификаций методов и технологий водоподготовки
подтверждает, что самой сложной задачей на стадии проектирования станций
водоочистки является составление последовательно реализуемой цепочки технологических
процессов поэтапной очистки и кондиционирования природных вод. Для этого
требуется такая методология выбора технологий водоподготовки, которые учитывали бы не
только качество воды в водоисточнике и требования к степени ее очистки, но и
потенциальную возможность совокупности методов и сооружений с учетом их
технико-экономических характеристик и оптимальный режим управления в конкретных условиях.
Разработанные при непосредственном участии авторов классификаторы
технологий очистки природных вод являются таким инструментом. Они не претендуют на роль
единственных и не исключают необходимость в ряде случаев проведения
технологических изысканий непосредственно на месте предполагаемого водозабора с целью
уточнения основных технологических параметров работы отдельных блоков водоочистной
станции. Однако, на их основе проектировщики на стадии технико-экономического
обоснования объектов водоснабжения и рабочего проектирования могут объективно
анализировать возможные технологические схемы и избегать серьезных ошибок при
выборе состава сооружений и методов обработки воды, особенно в условиях
повышенной антропогенной нагрузки на водоисточники.
Классификаторы технологий очистки поверхностных вод представляют собой
систематический перечень, позволяющий находить каждой из технологий определенное
местоположение и соответствующее этому числовое значение ряда показателей
качества воды, имеющих естественную и антропогенную природу, с учетом временного
фактора присутствия того или иного ингредиента в заданном интервале концентраций.
Технологии очистки природных вод, как традиционные, так и
усовершенствованные, вошедшие в классификатор предусматривают обеспечение требований СанПиН
2.01.04-1074-01 к очищенной воде, используемой для нужд хозяйственно-питьевого
водоснабжения.
Для составления классификаторов нами были предложены классы и подклассы
природных поверхностных вод по ингредиентам природного и антропогенного
происхождения применительно к выбору водоочистных технологий. В качестве
определяющих природных (фоновых) ингредиентов были приняты помимо цветности и мутности,
53

температура воды, водородный показатель рН, перманганатная окисляемость, в
отдельных случаях - количество клеток фитопланктона и общая минерализация. В основу
классификации вод по типам был положен принцип по которому поверхностные воды
по физико-химическому составу рассматривались в направлении с севера на юг и с
запада на восток. Каждому из тринадцати классов было присвоено буквенное
обозначение с числовым индексом, указан интервал концентраций по определяющим
ингредиентам и временной фактор, учитывающий продолжительность присутствия в воде в
заданном интервале концентраций указанных ингредиентов (см. табл. 10.8).
К определяющим инфедиентам, как наиболее часто встречающимся, антропогенного
происхождения отнесены нефтепродукты, фенолы поверхностно-аюивные вещества,
биогенные соединения (азот аммонийный нитраты, нитриты), пестициды (отдельные виды),
некоторые соли тяжелых металлов, хлорорганические соединения и радиационные
загрязнения, которые и составили восемь подклассов природных вод, харакгеризующиеся
индивидуальным интервалом концентраций и временным фактором (см. табл. 10.9).
Таблица 10.8
Классы поверхностных вод по определяющим природным ингредиентам
Класс
вод
1
А,
Аг
Аз
В,
Вг
Вз
В4
Наименование
классов вод
2
Цветные маломутные воды
Высокоцветные
маломутные воды
Цветные маломутные
воды с повышенной
окисляемостью
Воды со средними
значениями цветности и мутности
Маломутные воды со
средними значениями цветности
Воды со средними
значениями цветности и мутности,
содержащие в большом
количестве фитопланктон и
зоопланктон
Воды со средними
значениями цветности и мутности и
повышенной окисляемости
Ориентировочные
концентрации определяющих
ингредиентов
3
Ц = 20-200 град.ПКШ,
М < 20 мг/л
Т = 0-25 "С, рН = 6,8-9,0
П0« б-ЮмгОг/л
Ц > 200-650 град.ПКШ,
М = 5-50 мг/л,
Т = 0-30 °С, рН = 6-8
ПО » 8-25 мЮз/л
А,, кроме ПО
П0« 10-25 мгОг/л
Ц = 25-150 град.ПКШ,
М = 20-150 мг/л,
Т = 0-30 °С, рН = 6-9
ПО«6-10мгО2/л
В,, кроме М
М = 5-50 мг/л
В), дополнительно
Ф= 10^-10* кл/мл
В,, кроме ПО
ПО = 10-25 мгОз/л
Временной
фактор
присутствия
ингредиентов в воде'
4
h
ti
h
к
h
h
t2
54

Продолжение табл. 10.8
1
С|
Сг
Сз
D.
D2
Е
2
Мутные, малоцветные воды
Высокомутные воды с
преобладанием минеральных
загрязнений
Высокомутные воды
с повышенной окисляемо-
стью
Воды, содержащие в
большом количестве
фитопланктон и зоопланктон (дрейсена)
Воды, содержащие в
большом количестве
фитопланктон и зоопланктон с
повышенным содержанием
органического вещества
Жесткие, минерализованные
воды
3
Ц < 20 град.ПКШ,
М = 250-1000 мг/л,
Т = 0-25 "С, рН = 7-9
ПО » 5-8 мгОз/л
М= 1000-5000 мг/л,
Т = 0-35 "С, рН = 7-9
ПО » 3-8 мгОг/л
Сг, кроме ПО
ПО = 8-18мг02/л
Ц < 200 град.ПКШ,
М < 5-50 мг/л
Ф= 10^-10^ кл/мл
Т = 0-30 "С, рН = 6,5-9
ПО « 5-8 мгОг/л
D| кроме ПО
ПО = 8-25 мг/л
О 1000 мг/л,
Жо > 7 мг-экв/л
М< 1000 мг/л,
Ц^20-150град.ПКШ
4
t2
ti
t|
ti
ti
t2
Примечания: Условные обозначения: Ц - цветность, М - мутность, Т - температура,
рН - водородный показатель, ПО - перманганатная окисляемость, С - общая
минерализация, Ф - количество клеток фитопланктона, Ж^, - жесткость общая.
t| - период появления ~ до 3 месяцев в году; tj - постоянное присутствие в
течение года.
Для предварительного выбора технологии очистки воды помимо расчетных
концентраций определяющих ингредиентов как уже отмечалось, важно учитывать и фазо-
во-дисперсное состояние примесей.
Такие важные факторы, влияющие на качество воды в водоисточнике в течение
года, как гидрограф стока, требования к санитарным попускам в разные сезоны года,
лесосплав, рыбозащита, судоходность, гидротехнические разработки должны оцениваться
на стадии выбора места водозабора для вновь строящихся объектов водопровода или
корректироваться при реконструкции систем водоснабжения. Что касается учета
производительности станций водоочистки, то за основу окончательного выбора
оптимального состава сооружений рекомендуемой технологической схемы должны быть приняты
экономические факторы: капиталовложения, годовые эксплуатационные затраты,
минимальный срок окупаемости, чистый дисконтный доход и др.
К сожалению, охватить все множество вариантов качества природных
поверхностных вод при изменяющихся их расходах в створах водозаборов в течение всего срока
эксплуатации станции водоподготовки в соответствии с предлагаемыми классами вод в
настоящее время весьма трудно. Это объясняется отсутствием для многих водоисточни-
55

ков необходимого ряда наблюдений за изменением качества воды и их статистической
обработки. Реальное воздействие антропогенных факторов и хозяйственное влияние на
некоторые источники водоснабжения в ряде случаев не позволяет четко относить воду
в источнике к определенному классу. Тем не менее, даже приближенное подразделение вод
на классы и подклассы позволяет считать их исходной позицией для обоснования
альтернативных технологий очистки и кондиционирования природных вод.
Таблица 10.9
Подклассы поверхностных вод по определяющим антропогенным ингредиентам

Подкласс
вод
1
1
2
3
4
5
6
7
8
Ингредиенты
антропогенного
происхождения
2
Нефтепродукты
Фенолы
ПАВ анионоактивные
Азот аммонийный
Нитраты
Нитриты
Пестициды;
линдан
гептахлор
ДДТ
Соли тяжелых
металлов:
ртуть
свинец
хром
медь
цинк
железо
кадмий
Хлорорганические
соединения:
четыреххлористый
углерод
хлороформ
Радиционные
загрязнители, Бк/л,
общая С* -радиация
общая Р -радиация
Ориентировочные
концентрации
определяющих
ингредиентов
3
0,1-0,5
0,001-0,01
0,5-2,5
2-10
45-90
3-6
0,002-0,02
0,05-0,30
0,002-0,02
0,0005-0,001
0,03-0,1
0,05-0,25
1,0-5,0
5,0-20,0
0,3-1,5
0,001-0,005
0,006-0,01
0,2-0,5
0,1-0,4
1,0-3,0
Нормативы
СанПиН
(ВОЗ)
4
0,1 @,3)
0,001
0,5 (-)
2,0 (не уст.)
45,0 (не уст.)
3,0 (не уст.)
0,002@,003)
0,05@,1)
0,002
0,0005@,001)
0,03 @,03)
0,05 @,05)
1,0A,0)
5,0 E,0)
0,3@,3)
@,001)
0,006 @,003)
0,2 @,2)
0,1
1,0
Временной
фактор присутствия
ингредиентов в
воде
5
ti
t,t2
tlt2
h
Примечание: t] иХт- по таблице 10.8.
Для удобства практического использования классификаторов все основные
технологические методы очистки воды, включая новые, было предложено закодировать
условными обозначениями и оценить с точки зрения их потенциальных возможностей по
извлечению разных загрязняющих веществ на стадиях водообработки (см. табл. 10.10).
56

Таблица 10.10
Основные технологические методы, применяемые при очистке
поверхностных природных вод
Методы водоподготовки
1
Удаляемые примеси, форма воздействия на
них и условия применения
2
Услов.
обознач.
метода
3
I. Безреагентные методы обработки
Удаление грубо дисперсных
примесей в центробежном поле
Отстаивание в ковшах и открытых
отстойниках, в том числе с
тонкослойными модулями и слоем
взвешенного осадка
Фильтрование через сетчатые
перегородки
Фильтрование через обсыпку
фильтрующих оголовков
Фильтрование через крупнозер -
нистую среду в префильтрах
Медленное фильтрование
Биологическая предочистка в
русле водотоков или во входных би 0-
реакторах с использованием
прикрепленной микрофлоры
Аэрирование воды
Флотация без применения
коагулянтов
Грубо- и тонкодисперсные примеси с
плотностью частиц >1000 кг/м''
ГДП с концентрацией взвеси более
2000-5000 мг/л
ГДП с размером частиц более
20-40 мкм, Ф > 1000 кл/л
ГДП, плаваюшие вещества, щепа, листья,
остатки растений водотоков и водоемов
ГДП с размером частиц менее 1,0 мм
ГДП, коллоидные взвеси и бактерии,
М < 50 мг/л
Органические и минеральные примеси, при
ПО > 5 мгОз/л,
Т > + 5 "С, Ф > 500 кл/л
Газообразные и летучие органические с о-
единения, взвесь с
плотностью < 1000 кг/м'', низкое
содержание кислорода, наличие нефтепродуктов
Органические вещества при
ПО > 6-8 мгОг/л и содержании
нефтепродуктов > 1-2 мг/л; интенсификация
процессов коагулирования
ГЦ
От
СтФ
ОбФ
КПФ
МФ
БПБ
А
ФлБ
П. Реагеитиые методы обработки
Обработка воды
коагулянтами и
флокулянтами
Хлопьеобразование
скоагулированных частиц в
свободном или стесненном объеме
Обработка хлором (гипохлоритом
натрия, кальция)
Тонкодисперсные и коллоидные взвеси,
агрегативно и кинетически устойчивые,
требующие агрегации и придания им коге-
зионных и адгезионных свойств: снижения
электрокинетических сил отталкивания
Укрупнение и образование агломератов
скоагулированных коллоидов и тонкоди с-
персной (d<0,l мкм) взвеси минерального и
органического происхождения
Органические вещества, обуславливающие
цветность воды, трудноокисляемая орган ика
(ПО < 15 мгОУл) и наличие отдельных
ингредиентов (железа, марганца,
сероводорода), болезнетворные бактерии и другие
микроорганизмы
К(Ф)
ХлО
ХЛ
57

Продолжение табл. 10.10
1
Обработка воды озоном
Обработка воды УФ-облучением
Флотация с применением
реагентов
Реагентное отстаивание
Реагентное осветление в слое
взвешенного осадка с рециркул я-
цией
Реагентное скорое фильтрование
Сорбционная доочистка в
стационарном слое адсорбента
Сорбция с вводом мелкогранул ь-
ных или порошковых сорбентов в
очищаемую воду
Реагентное умягчение
Стабилизационная
реагентная обработка
Стабилизационная
фильтрационная обработка воды
Обессоливание реагентное
Обессоливание на ионообменных
фильтрах
Обессоливание и умягчение
обратным осмосом
Снижение солесодержания
электродиализом
Фторирование
2
Маломутные воды; трудноокисляемые
органические вещества, обуславливающие
цветность, запах и привкус; болезнетво р-
ные бактерии и другие виды
микроорганизмов
Воды малоцветные и маломутные, болезн е-
творные микроорганизмы и вирусы
Органические вещества обуславливающие
цветность,
П0< 15 мгОг/л;
нефтепродукты и масла 2-15 мг/л
Органические минеральные
примеси (М < 2500 мг/л,
Ц < 250 град.ПКШ)
те же, что и в предыдущем пункте
Коагулированная взвесь с размером частиц
< 100 мкм после предочистки
М < 200 мг/л, Ц < 200 град.ПКШ
Ароматические органические вещества,
нефтепродукты < 1 мг/л, азот аммонийный,
фенолы, пестициды, ПАВ, диоксины, хло-
рорганические соединения;
М <10 мг/л, Ц < 20 град.ПКШ
Неприятные привкусы и запахи; азот
аммонийный, нефтепродукты, ПАВ, пестициды
Жо < 30 мг-экв/л; М < 50 мг/л
При индексе Ланжелье II > и < 0; при
показателе стабильности Пс > 1; при показателе
коррозионной активности
Пк > 0,35 (при t = 8-25 °С)
те же, что и в п.22, уточняются технико-
экономическими расчетами
С < 3-5 г/л; Ж„ < 15 мг-экв/л;
М < 150 мг/л, Ц < 150 град.ПКШ
С < 2-3 г/л; Ж„ < 10-15 мг-экв/л;
М < 1,5-5 мг/л; Ц < 20 град.ПКШ
С < 35 мг-экв/л, Ц < 20 град.ПКШ,
М< 10 мг/л
С < 10 мг-экв/л; М < 1,5 мг/л;
Ц < 20 град.ПКШ; содержание железа до
0,3 мг/л
Содержание фтора < 1,5 мг/л
3
03
УФ-об
ФлР
ОтР
ОВОР
СкФР
СрГУ
СрПУ
УмР
СтР
СтФ
ОсР
ИО
00
эд
Фт
Непосредственно сами классификаторы состоят из двух обобщающих таблиц
(см.табл.10.11 и 10.12).
58

Таблица 10.11
Классификатор технологий очистки поверхностных вод.
Основные технологии
Класс
вод
А,
Аз
Аг
В:
С,
С:
Сз
D,
D2
Б
Группа
приме
сей
II
II
11,111
II, III
II, III
II. III
1,11
1,11
I
1,11
I, II, III
1,11
1,11
1,11
1,11
1,11
1,111
IV
IV
IV
IV
Временной
фактор
t2
h
t2
t2
t2
t2
h
к
tl
t2
tl
tl
t2
tl
t2
t2
Рекомендуемые технологические схемы
ХЛ-^К(Ф) -^ХлО-^ОтР-^СкФР-^ХЛ
03,->К(Ф) ->ФлР->СкФР->032->СрГУ->ХЛ
БПБ->К(Ф) ->СкФР 1^03->СрГТУ->СкФР
2->ХЛ
БПБ->К(Ф) ->СкФР->03->СрГУ->ХЛ
БПБ->03,->К(Ф) -> ->ХлО->РО->СкФР
->032->СрГУ->ХЛ
03,->К(Ф) ->ХлО->ОтР->СкФР,->032->
->СрПУ->СкФР2->ХЛ
ХЛ->К(Ф) ->СкФР,->СрПУ->СкФР2->ХЛ
БПБ->К(Ф) ->СкФР->03->СрГУ->ХЛ
ОбФ(ГЦ)->БПБ->К(Ф) ->
->ОВОР->СкФР->ХЛ
ОбФ(ГЦ) ->БПБ->К(Ф) ->ХлО->ОтР->
->СкФР->03->СрГУ->ХЛ
От->БПБ->К(Ф) ->
->СкФР,->СрПУ->СкФР2->ХЛ
От->БПБ->К(Ф) ->ОВОР->СкФР->ХЛ
От-»БПБ-»К(Ф),->ХлО->0Р->СкФР-»
->03->СрГУ->ХЛ
От->ОбФ->К(Ф) ->
-»КПФ->03->СрПУ->СкФР->ХЛ
СтФ(МФ) ->БПБ->К(Ф) ->
->СкФР,->03-»СрГУ->ХЛ
СтФ(МФ) ->БПБ->К(Ф) ->
->СкФР,->03->СрПУ->СкФР2->ХЛ
Фл->БПБ->К(Ф) ->
->Хл->От->СрПУ->СкФР->ХЛ
Об->К(Ф,Щ) ->ОВОР->СкФР->ХЛ
Ог->БПБ->К(Ф) ->ОВОР->
->СкФР1-»СрПУ->СкФР2->ХЛ
ОбФ->К(Ф) ->ОВОР->
->СкФР->03->СрГУ->ХЛ
ОбФ->К(Ф) ->СкФР->0О(ЭД) ->СрГУ-»ХЛ
Код


нологий
Т1
Т2
ТЗ
Т4
Т1
Т2
Т1
Т2
Т1
Т2
ТЗ
Т1
Т2
ТЗ
Т1
Т2
ТЗ
Т1
Т2
ТЗ
Т4
Примечания: 1. Технологические схемы уточняются после изысканий в местах водозаборов
и технико-экономических расчетов, выполненных с учетом местных
условий строительства, расстояний до баз индустрии фильтрующих
материалов, реагентов и пр.
2. Все материалы, реагенты и оборудование должны иметь гигиеническое
заключение на применение в питьевом водоснабжении.
59

Таблица 10.12
Классификатор технологий очистки поверхностных
вод с учетом антропогенных загрязнений
Класс
вод
А,
А2
В
С,
С2
D
Е
1
ТЗ
Т2
Т1
Т2
Т1
Т2
Т2
2
Т2
Т1
Т2
Т2
Т2
Т2
ТЗ
3
Т2
Т1
Т2
Т2
Т2
Т2
ТЗ
4
ТЗ
Т1
Т2
Т2
Т2
ТЗ
ТЗ
Подкласс вод
5
Т4
Т2
Т2
Т2
Т2
Т2
Т2
6
Т1(К(Ф))
Т1(К(Ф))
Т1
Т1(К(Ф))
Т2
Т1(К(Ф))
Т2
7
Т2(СрПУ)
Т2(СрГУ)
Т2(СрПУ)
Т2(СрПУ)
ТЗ
ТЗ(СРГУ)
ТЗ(СрПУ)
8
Т1(к(Ф), СрПУ)
Т2(к(ф))
ТЦсргу)
Т1(к(ф), Сргу)
Т1(пу,сргу)
ТЗ(К(ФХ СрГУ)
Т1(К(Ф),СрГУ)
Примечания: 1. Технологические параметры методов водообработки, типы реагентов,
инертных фильтрующих материалов и сорбентов, дозы коагулянтов и
флокулянтов уточняются в процессе технологических изысканий для
конкретного водоисточника и места водозабора.
2. Номер технологической схемы соответствует номеру, относящемуся к
конкретному классу вод (см.табл. 10.10).
Аналогичный подход был применен и при разработке классификаторов технологий
очистки подземных вод. При этом учитывалось разнообразие последних по
физико-химическому составу, стабилизационным критериям и коррозионным показателям
качества воды.
Разработанные классификаторы технологий очистки природных вод позволяют для
конкретного качества воды выбрать несколько альтернативных технологических схем
очистки, как традиционных, так и усовершенствованных и перейти непосредственно к
решению задачи технико-экономического обоснования технологии водоподготовки.
В табл. 10.13-10.15 приведены наиболее распространенные технологические схемы
очистки подземных вод от природных загрязнений, разделенные по классам и
подклассам в зависимости от уровня загрязненности водоисточника и налич ш растворенных
газов, и существующие методы очистки подземных вод от растворенных газов.
Для разработки классификатора технологий очистки подземных вод введено
кодирование технологических методов и способов очистки воды путем применения
условных обозначений и нумерации схем, процессов водоподготовки. Условные обозначения
технологических способов обработки подземных вод приведены в табл. 10.16.
В табл.10.17-10.19 представлены классификаторы технологий очистки подземных
вод от природных примесей, растворенных газов и антропогенных загрязнений.
Разработанные классификаторы технологий позволяют скомпоновать общую
технологическую схему очистки подземной воды в каждом конкретном случае качества исходной
воды. При выборе общей технологической схемы очистки подземной воды в условиях
повышенных антропогенных нагрузок на водоисточник за основу принимается класс и
подкласс природных загрязнений с добавлением эффективных технологий очистки от
конкретных антропогенных загрязнений по группам и подгруппам.
60

Таблица 10.13
Технологические схемы очистки подземных вод от природных загрязнений по классам
для питьевого водоснабжения
Класс

подземных вод
1
1
2
3

Подкласс
2
1.1
1.2
2.1
2.2
2.3
3.1
3.2
3.3
Условия применения
3
Т> 6 °С; СОг
св.< 200 мг/л,
СОгаф. > 0, Ll < 0
Т<3°С,
С02св.<200мг/л;
СОгаф. > 0, 1l< 0
Fe < 3 мг/л,
Мп < 0,1 мг/л
С02св.<45 мг/л,
рН>6,8,1ь<0
Fe < 5 мг/л,
Мп < 0,5 мг/л
СО^св. < 45 мг/л,
рН>7,2
Ре<10мг/л,
Мп < 1 мг/л
С02св.< 200 мг/л;
рН > 6,0
Fe< 15 мг/л,
Мп< 1,0 мг/л
С02св.< 200 мг/л;
рН > 6,0
Fe < 20 мг/л,
Мп < 2 мг/л,
Р< 1,5 мг/л,
С02св.< 200 мг/л;
рН > 6,0
Ре < 20 мг/л,
Мп < 1 ,0 мг/л
СО2СВ. < 200 мг/л;
рН > 6,0
Технологические схемы
4
Глубокая аэрация,
стабилизация, обеззараживание
Нагрев до 6 °С, аэрация-
дегазация, реагентная
стабилизация, обеззараживание
Упрощенная аэрация,
фильтрование, стабилизация,
обеззараживание
Глубокая аэрация,«сухое
фильтрование»,
стабилизация, обеззараживание
Биосорбция^, фильтрование,
стабилизация,
обеззараживание
Биосорбция^, фильтрование,
стабилизация,
обеззараживание
а) Биосорбция^, ввод пер-
манганата калия,
фильтрование, стабилизация,
обеззараживание
б) Глубокая аэрация,
фильтрование, озонирование,
сорбция на ГАУ,
стабилизация обеззараживание
Глубокая аэрация,
фильтрование, озонирование,
сорбция на ГАУ, обесфторивание
на фильтре с
активированным оксидом алюминия,
стабилизация,
обеззараживание
Степень очистки
5
Il^0,3
(l^caco =4-10 мг/л)
то же
Fe < 0,3 мг/л,
Мп «0,1 мг/л
Fe < 0,3 мг/л,
Мп < 0,1 мг/л
Ре < 0,05 мг/л,
Мп < 0,05 мг/л
Fe < 0,3 мг/л,
Мп<0,1 мг/л
Fe<0,l мг/л,
Мп < 0,05 мг/л
Fe<0,l мг/л,
Мп < 0,05 мг/л
Ре<0,1 мг/л,
Мп < 0,05 мг/л,
F = @,7-1,5) мг/л**
61

Продолжение табл. 10.13
1
4
5
2
4.1
4.2
4.3
4.4
5.1
5.2
3
Fe < 25 мг/л.
Мп < 3 мг/л.
F< 1,5 мг/л.
COjCB. < 200 мг/л,
минерализация <1000 мг/л,
рН > 6,0, 1l < 0
Fe < 30 мг/л.
Мп <5 мг/л,
F < 7 мг/л,
минералшация<1000 г/л
СОгСв. < 200 мг/л; рН>6,0
Fe < 3 мг/л, Мп < 5 мг/л.
F < 7 мг/л,
минерализация < 2000 мг/л.
С02св.< 200 мг/л; рН>6,0
Fe < 30 мг/л, Мп <5 мг/л,
F <7 мг/л,
COjCB. < 200 мг/л,
минералша-
ция<1000мг/л,
рН>6,0
Fe < 40 мг/л, Мп < 7 мг/л,
F < 7 мг/л
минерал иза-
ция<5000мг/л,
С02св.< 200 мг/л,
PH>6,0,1l<0
Fe < 40 мг/л, Мп < 7 мг/л,
F< 10 мг/л,
минерал иза-
ция<5000мг/л.
СОзСв. < 200 мг/л,
рН>6,0
4
Глубокая аэрация,
коагуляция, флокуляция,
фильтрование, озонирование,
сорбция на ГАУ, стабилшация,
обеззараживай ие
Глубокая аэрация,
коагуляция, фильтрование,
озонирование, сорбция на ГАУ,
фильтрование на
активированном оксиде алюминия.
стабилизация,
обеззараживание
Биосорбция'', коагуляция.
флокуляция, фильтрование.
ввод перманганата калия.
фильтрование,
электродиализ, сорбция на ГАУ,
стабилизация, обеззараживание
Биосорбция , коагуляция.
флокуляция, фильтрование,
фильтрование через
модифицированную Кмп04 за-
фузку, фильтрование через
активированный оксид
алюминия, стабилизация,
обеззараживание
Глубокая аэрация, преозони-
рование, фильтрование,
озонирование, фильтрование,
электродиализ, сорбция на
ГАУ, стабилизация,
обеззараживание
а) Глубокая аэрация,
коагуляция , фильтрование,
озонирование, фильтрование.
электродиализ, сорбция на
ГАУ, стабилизация,
обеззараживание
б) Биосорбция , коагуляция,
флокуляция, фильтрование,
ввод перманганата калия,
фильтрование, обратный
осмос,(электродиализ)
стабилизация, обеззараживание
5
Fe < 0,3 мг/л,
Мп< 0,1 мг/л,
Il + 0,3
Fe < 0,3 мг/л.
Мп < 0,1 мг/л.
F =@,7-1, 5) мг/л",
II >0
Fe< 0,1 мг/л,
Мп < 0,05 мг/л.
F< 1,5 мг/л,
минерализация < 400 мг/л
F< 0,7-1,5 мг/л.
Fe < 0,3 мг/л.
Мп<0,1 мг/л.
F = @,7-1, 5) мг/л".
Fe<0,I мг/л,
Мп < 0,05 мг/л.
F< 1,5 мг/л.
минерализация до 500
Fe< 0,1 мг/л.
Мп < 0,05 мг/л,
минерализация < 300 мг/л.
F = @,7-1, 5) мг/л"
Fe<0,l мг/л,
Мп < 0,05 мг/л,
цветность < 5 фад,
минерализация < 300
мг/л, F = @,7-1, 5) мг/л"
Примечания: 1. При разработке качества воды подклассов использованы рекомендации
Г.И. Николадзе.
2. Уровень стабилизационной обработки для всех подклассов предусматривает
достижение условий, указанных в табл. 4.10
3. Биосорбция с предварительной глубокой аэрацией.
4. В зависимости от климатического региона.
62

Таблица 10.14
Технологические способы и методы очистки подземных вод по фуппам антропогенных загрязнений
Виды антропогенных,
загрязнений
Группа

загрязнений
1
А,
Аз
Аз
А,
подфуппа
2
Ам; А,,2
Ао
А|.4
А2.Г.А2.3-
А2.6;
А2.7;А2.9;
A2.11-A2.15
А2.10
А2.2
А2.8
А2.16
Аз.,
A4.I
А4.2
А4.3-А4.4
Способ, методы
3
биологическая денитрификация ионный обмен,
сорбция на ГАУ
сорбция на модифицированной цеолитовой зафу з-
ке
коагулирование, фильтрование мембранные
методы (обратный осмос) ионный обмен, сорбция на
ГАУ
коагулирование, фильтрование сорбция на
модифицированной загрузке цеолитов озонирование,
сорбция на ГАУ ионный обмен, сорбция на ГАУ
сорбция на модифицированной цеолитовой затру з-
ке мембранные методы, электрохимический метод
ионный обмен на селективных смолах
озонирование, сорбция на ГАУ
ионный обмен на селективных смолах
озонирование, сорбция на ГАУ
коагулирование + фильтрование
реагентное осаждение и соосаждение ионный
обмен, сорбция на ГАУ
бносорбция, фильтрование флотация с применен и-
ем реагентов, фильтрование
коагуляция, флокуляция, фильтрование сорбция на
ГАУ
сорбция на ГАУ озонирование, сорбция на ГАУ
биосорбция, фильтрование
Степень очистки
4
^пдк
тоже
<пдк
<пдк
то же
-«-
40-50%
1/' ..
то же
-«-
^пдк
то же
-«-
<пдк
тоже
^пдк
то же
^пдк
<пдк
то же
<пдк
то же
до ПДК при
исх. А4.2<1>5ПДК
<ПДК
<ПДК
тоже
-«-
63

Продолжение таблицы 10.14
1
As
Аб
А7
As
А,
Ajo
2
A5.1-A52
Аб.|-Аб.2
Аб,з-Аб.4
Аг,
А7.2,А7.3
-
3
биосорбция, фильтрование озонирование, сорбция
наГАУ
озонирование, УФ, сорбция на ГАУ биосорбция,
флокуляция, фильтрование, сорбция на ГАУ
сорбция на ГАУ
сорбция на ГАУ
сорбция на ГАУ
озонирование в сочетании с УФ-облучением,
сорбция на ГАУ
порошкообразный уголь, фильтрование,
озонирование, сорбция на ГАУ
озонирование
4
<пдк
то же
<ПДК
то же
до норм ПДК при
исх. ФОП < 2 ПДК
<ПДК
<ПДК
^пдк
ДоПДУ
B0 мг/л)
^пдк
Таблица 10.15
Технологические способы и методы очистки подземных вод от растворенных газов
Группа
П
Диоксид
углерода
(СО.)
МетанСН4(и
его
гомологи)
Гз

Сероводород HiS

Подгруппа
Г,.|
Г,..2
Г,.,з
Г2,.1
Г2.,2
Гз„1
Гз„2
Гз„з
Условия
применения
COj < 20 мг/л СОг <
140 мг/л
СО2<200 мг/л
СН4<10мг/л
СН4<40мг/л
HjS <5 мг/л
H2S< 10 мг/л
Н28<30мг/л
Технологические способы
и методы
Упрощенная аэрация Глубокая
аэрация барботированием воздуха
Глубокая аэрация
барботированием воздуха в две ступени
Упрощенная аэрация (Т>6 °С)
Аэрация барботированием
воздухом (Т< 3 °С)
Глубокая аэрация в насадочных
колоннах, вакуумная дегазация
Упрощенная аэрация, введение
окислителя, фильтрование
Аэрация барботированием
воздуха, введение окислителя,
фильтрование
Пенная дегазация, озонирование,
коагулирование, фильтрование
Степень
очистки
до 5 мг/л
до 7 мг/л
до 2 мг/л
отсутс.
отсутс.
отсутс.
отсутс.
64

Таблица 10.16
Условные обозначения технологических способов и методов очистки подземных вод от
природных компонентов и антропогенных загрязнений
Способ, метод
Упрощенная аэрация
Аэрация
Дегазация
Глубокая аэрация
Обеззараживание
Фильтрование
Фильтрование первой
ступени
Биосорбция
Введение КМпОд
Озонирование
Коагуляция
Флокуляция
Фильтрование через
загрузку с активированным
оксидом алюминия
Электродиализ
Фильтрование через
модифицированную
загрузку
Обратный осмос
Ультрафильтрация

Обозначение
УА
А
д
ГА
Обз
Ф
Ф,
БС
КМп04
Оз
К
Фл
АОА
эд
ФМЗ
оо
УФ
Способ, метод
Биологическая денитрификация
Ионный обмен
Сорбция на модифицированной цеоли-
товой зафузке
Подкисление
Электрохимический метод
Ионный обмен на селективных смолах
Реагентное осаждение
Хлорирование
Флотация с применением реагентов
Озонирование в сочетании с УФ
Окислитель
Ввод порошкообразного угля
Барботирование воздуха
Насадочные колонны
Вакуумная дегазация
Пенная дегазация
Нагревание
Обозначение
БДН
ИО
СМЗ
Подкисл.
ЭМ
ИОСС
РО
X
ФР
Оз+УФ
Окисл.
ПАУ
БВ
НК
вд
пд
f
Таблица 10.17
Классификатор технологий очистки подземных вод от природных примесей
Класс
1
1
2
3

Подкласс
2
1.1
1.2
2.1
2.2
2.3
3.1
3.2
3.3
Технологические схемы
3
[ГА] -> [С] -> [Обз]
[1'']->[А-Д]->[С]->[Обз]
[УА] -> [Ф] -> [С] -> [Обз]
[ГА] -> [Ф] -> [С] -> [Обз]
[БС] -> [Ф] -> [С] -> [Обз]
[БС] -> [Ф] -> [С] -> [Обз]
[КМПО4]
i
а) [БС] -> [Ф1 -> [С] ^ [Обз]
б) [ГА] -> [Ф] -> [Оз] -> [ГАУ] -> [С] -> [Обз]
[ГА] -> [Ф] -> [Оз] -> [ГАУ] -> [АОА] ->[С]
->[Обз]
Условное
обозначение
4
т,
Ъ
Тз
Т4
Ts
Тб
т.
Tg
т,
3 - 9858
65

Продолжение табл. 10.17
1
4
5
2
4.1
4.2
4.3
4.4
5.1
5.2
3
[ГА] -> [К] -> [Фл] -> [Ф] -> [Оз] -> [ГАУ] -> [С] -> -> [Обз]
[ГА] -> [К] -> [Ф] -> [Оз] -> [ГАУ] -> [АОА] -> [С] -> [Обз]
[КМПО4]
i
[БС] -> [К] -> [Фл] -> [Ф] -> [Ф] -> [ЭД] -> [ГАУ] -> [С]
->[Обз]
[БС] -> [К] -> [Фл] -> [Ф] -> [ФМЗ] -> [АОА] -> [С] -> -> [Обз]
[ГА] -> [Оз] -> [Ф] -> [Оз] -> [Ф] -> [ЭД] -> [ГАУ] -> -> [С] ->
[Обз]
а) [ГА] -> [К] -> [Ф] -> [Оз] -> [Ф] -> [ЭД] -> [ГАУ] -> -> [С]
-> [Обз]
[ICMnO 4]
i
б) [БС]->[К] -> [Фл] -> [Ф] -> [Ф] -> [00](ЭД) -> [С] -> [Обз]
4
Т|о
т„
Т,2
Т|з
Т,4
Т,5
Таблица 10.18
Классификатор технологий очистки подземных вод от растворенных газов
Группа
Г,
Гз
Гз
Гкщгруппа
Г,.,
г,^
Го
Г2.1
Т22
Гзл
Гз.2
Гз.з
Способы и методы
[УА]
[ГАЕВ
I II
[ГАБВ]^[ВД1
[УА] (Т>6 "С); [УАБВ] (Т<3 "С)
[ГАНК1->ГВД1
[окисл.]
i
ГУА1^ГФ1
[окисл.]
i
ГАБВ1-^ГФ1
[ПДИ[ОзН [К]^[Ф]
Таблица 10.19
Классификатор технологий очистки подземных вод по группам антропогенных загрязнений
Виды антропогенных загрязнени
группа
А,
А2
подгруппа
Ai.i;A|.2
А,.з
А].4
А2.ьА2.3-А2.6
А2.7,А2.9
A2.II-A2.15
A2.IO
А2.2
А2.8
A2.I6
Способ, метод
[БДН]; [ИО] -> [ГАУ]
[СМЗ]
[К] -^ ГФ]; [00]; [ИО] -^ [ГАУ]
[К1->[Ф1;
[СМЗ]
[Оз] -> [ГАУ]
[СМЗ]; [00]; [ЭМ]
[ИОСС]; [Оз]; [ГАУ]
[ИОСС]; [Оз];-> [ГАУ]
[К] -> [Ф];
66

Продолжение табл. 10.19
Аз
А4
As
Аб
А7
А8
А,
А|0
Аз.,
Аз.2
А4.1
А4.2
А4.3-А4.4
A5.I-A5.2
Аб.|-Аб.2
Аб.з-Аб.4
At,
А7.2,А7.3
-
-
-
[РО]; [И0];-> [ГАУ]
[X] -> [ИО]-^[ГАУ];
[БС] -^ [Ф]; [ФР] -^ [Ф];
[К] -^ [Фл]-^[Ф]; [ГАУ]
[ГАУ]; [БС] -> [Ф]; [Оз]-^[ГАУ];
[БС] -^ [Ф]; [Оз]^.[ГАУ];
[Оз+УФ]->[ГАУ]; [БС]-^[Фл] ■^[Ф]-^[ГАУ];
[ГАУ];
[ГАУ];
[ГАУ];
[Оз+УФ]-^[ГАУ];
[ПАУ]^.[Ф] -^[Оз];
[Оз];
67

п. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВОДООЧИСТКИ И СОСТАВА
СООРУЖЕНИЙ
П.1. Методики технико-экономического обоснования
В связи с переходом на рыночные условия основных видов производств (включая
водохозяйственную индустрию) разработанные ранее методики
технико-экономического обоснования технологии и средств очистки воды для питьевых и технических целей
претерпевают существенные изменения и должны уточняться.
В настоящее время изменяется как соотношение затрат и цен, так и их структура.
При определении фактической эффеюгивности от внедрения систем (комплексов)
водоочистки трудно в конкретный промежуток времени учесть инфляцию,
неупорядоченность цен на материалы, оборудование, электроэнергию и реализуемую очищенную
воду. Разработчики систем, проеюгировщики и хозяйства, планирующие внедрять такие
системы, должны учитывать федеральные и местные налоги на прибыль, высокие
проценты на кредиты, планируемые плату за водопользование и отчисления на
экологические мероприятия и прочие затраты.
Тем не менее, при разработке новой проеюгно-технической документации на
водоочистные станции (ВС), их строительстве, постановке на производство или приобретении
новых технических средств, технико-экономическое обоснование проводить необходимо.
Сравнительная оценка в относительных значениях приведенных затрат, сроков
окупаемости, реановации и других составляющих ТЭО, а также себестоимости,
капитальных и эксплуатационных затрат позволяет раскрыть суть описанных ниже методик и
примеров технико-экономических расчетов.
На различных стадиях проектных проработок, при разработке технической
конструкторской документации и экономической оценке промышленных испытаний и
эксплуатации новой водоочистной техники наиболее часто возникают задачи:
- выбор местоположения водозаборных и водоочистных сооружений и установок;
- выбор технологии водоочистки;
- выбор состава основных и вспомогательных сооружений;
- технико-экономическое обоснование разработки нового образца водоочистной
техники;
- принятие напорного или гравитационного варианта сооружений одного типа;
- выбор оптимального размера сооружений (установок) из их типового ряда и пр.
В общем случае условия для размещения очистных систем водоснабжения можно
считать оптимальными при наличии свободных площадей застройки; источников
электроснабжения; благоприятных условий для отвода промывных вод при минимуме
затрат по планировке территории очистной станции.
При водоснабжении подземными водами следует учитывать степень
агрессивности воды по отношению к стальным водоводам и при соответствующих ее показателях
располагать очистные сооружения вблизи основных водопотребителей.
Выбор местоположения и числа площадок очистных сооружений групповых систем
водоснабжения, расположенных на разных расстояниях друг от друга, должен
производиться с учетом изменения гидравлических хараюгеристик водоводов, их длины и
диаметров, конструкции магистральных и распределительных трубопроводов
распределительной сети, количества насосов подкачки и промежуточных резервуаров чистой воды.
68

Выбор технологической схемы и состава сооружений для очистки воды
производится на основании определения качества воды в источнике, требований к очищенной
воде, с обязательным учетом производительности очистной станции и потенциальных
возможностей технологических сооружений (см. гл. 10).
Область применения новых конструкций и технологических схем очистки
устанавливается на основании определения соответствия технологических параметров новых
сооружений (по данным исследований) требованиям, предъявляемым к качеству
очищенной воды.
В случае, когда качество исходной воды позволяет применить несколько
технологических схем очистки и разные по принципам работы очистные сооружения, выбор
экономичного варианта должен производиться на основании технико-экономического
сравнения этих вариантов.
При необходимости могут быть проведены технико-экономическое сравнение и
расчеты для отдельных элементов конструкций очистных сооружений, способов
промывки загрузки и компоновки отдельных сооружений на площадке очистной станции.
Для технико-экономических расчетов достаточно определить основные размеры
сооружений без детальных расчетов их внутренних элементов.
При использовании для сравнения вариантов укрупненных показателей
строительной стоимости сооружений в отдельных случаях достаточно предварительно
определить производительность очистной станции, тип сооружений и их производительность.
Перед определением капитальных и эксплуатационных затрат предварительно
составляют таблицы исходных данных для расчета эффективности. Пример одной из них
представлен в табл. 11.1.
Таблица 11.1
Исходные данные для расчета экономической эффективности зернистых напорных фильтров
Расчетные и
конструктивные параметры
1
Площадь
фильтрования, м^
Диаметр фильтра, м
Вид загрузочного
материала
Высота загрузочного
слоя, м
Диаметр зерен
загрузки, мм
Количество
загружаемого
фильтрующего материала, м
Масса загрузки, т
Масса конструкций с
арматурой, т
Нагрузочная масса, т
Скорость
фильтрования, м/ч
Фильтр с
плавающий
загрузкой напорный
ФПЗ-4Н
2
9,1
3,4
Пенополистирол
1,6
6,0-0,8
14,5
2,90
6,88
9,78
15-30,0
Фильтр
механический
вертикальных
однокамерный
ФОВ-3,4
3
9,1
3,4
Кварцевый
песок
2,0
1-2
18,2
46,64
6,88
53,52
6-8
Примечание
4
За эталон для сравнения
принят фильтр ФОВ-3,4,
выпускаемый серийно
Таганрогским заводом «Красный
котельщик». Техническая
характеристика его принята по
Справочнику
химика-энергетика. М., «Энергия», 1972,
табл. 3-1 и по Справочнику
проектировщика
«Водоснабжение населенных мест и
промпредприятий» М.,
«Стройиздат», 1977, табл. 2-
4, тип фильтра 111.
Крупнозернистые кварцевые
фильтры требуют водовоз-
душной промывки
69

Продолжение табл. И. 1
1
Производительность, м''/ч
Содержание взвешенных
веществ в исходной воде
(допустимое), мг/л
Допустимое взвешенных
веществ в фильтрате (при
предварительной очистке
воды), мг/л
Продолжительность
фильтроцикла
(минимальная), ч
Интенсивность промывки
водой, л/(см^)
Интенсивность
промывки воздухом,
л/(с-м^)
продолжительность
промывки водой (воздухом),
мин
Расход воды на
промывку, м^
Расход воздуха на промы в-
ку, м'
2
135-270
500
25-50
8-12
12
-
5
32,0
-
3
55-72,8
250
25-50
6
6-8
15-20
8E)
34,0
86
4
Скорость фильтрования на
кварцевых фильтрах пр и-
нята 6-8 м/ч вместо
рекомендуемых 10 м/ч из-за
повышенной нагрузки на
них по взвеси Сисх.^500
Все расчеты сооружений, определение размеров технологического оборудования и
других данных для определения капиталовложений и эксплуатационных затрат
производятся по справочным данным и данным проеюгов, а для вновь разработанных
очистных сооружений - по специальным Указаниям на их проеюгирование.
Определение стоимости сооружений производят по укрупненным показателям
станций очистки в целом или отдельный сооружений, составленным по паспортам
типовых проеюгов.
Стоимость отдельных сооружений (отстойников, резервуаров промывной воды и
т.д.) и монтажа насосов и другого технологического оборудования и очистных
устройств или сооружений определяют по укрупненным показателям отдельных видов
работ и конструюгивных элементов, сметами и нормативным расценкам на производство
работ.
Стоимость строительно-монтажных работ по проеету-аналогу необходимо приводить к
уровню цен проектируемого объекта с использованием переводного коэффициента.
В смету эксплуатационных расходов включаются следующие основные показатели:
- заработная плата обслуживающего персонала с отчислениями на социальное
страхование;
- затраты на электроэнергию и отопления помещений;
- затраты на реагенты (если предусматривается реагентная очистка воды);
- амортизационные отчисления;
- отчисления на текущий ремонт;
- прочие расходы.
В тех случаях, когда не требуется точного определения себестоимости очистки 1 м^
воды, а проводится лишь относительное сравнение двух вариантов по эксплуатацион-
70

ным затратам, эксплуатационные расходы можно не определять, если они одинаковы по
отдельным статьям сметы.
Определение затрат на заработную плату производят, исходя из фактического
штата обслуживающего персонала на узле или станции водоочистки.
Отчисления на социальное страхование принимают в размере до 8% годового
фонда заработной платы.
При определении величины затрат на электроэнергию учитывают электроэнергию,
расходующую на преодоление потерь напора в фильтрующей загрузке, на промывки, на
управление электрозадвижками, а также насосами на сооружениях повторного
использования промывной воды.
Отчисления на амортизацию до 1990 г составляли от 6 до 12% стоимости
строительно-монтажных работ и стоимости оборудования; отчисления на текущий ремонт -
от 1 до 2,2 % затрат на строительство. В настоящее время они возросли многократно.
Стоимость реагентов определяют по сумме их отпускной цены с учетом заготови-
тельно-складских расходов предприятий и стоимости перевозок железнодорожным или
другим видом транспорта.
При подсчете общих эксплуатационных расходов необходимо включать также
статью на неучтенные затраты, включающие расходы на технику безопасности, ремонт
быстроизнашиваемого оборудования и инструментов, транспортные услуги.
По общепринятой до настоящего времени методике выбор экономичного варианта
схемы очистки в целом или отдельного очистного сооружения произодится по
приведенным затратам, определенным по формуле:
П = Э + Е„К ,руб, A1.1)
где П - приведенные затраты, Э - эксплуатационные затраты; К - капиталовложения;
£■„ - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (принимался
ранее по народному хозяйству в целом не ниже 0,12). В настоящее время срок
окупаемости, приемлемый для инвестора назначается обычно в пределах 3-4 лет.
Если сравниваемые варианты имеют примерно равные значения приведенных
затрат, то предпочтение отдается тому, который обеспечивает более рациональное
повторное использование промывной воды, требует минимум площади под строительство и
меньший расход дефицитных материалов, обеспечивает больший коэффициент
использования местных ресурсов и возможность более быстрого ввода станции очистки в
эксплуатацию, более экологичен.
Другими важнейшими показателями экономической эффективности
рассматриваемых вариантов сооружений очистки являются:
а) себестоимость 1 м^ очищенной воды, определяемая по формуле:
S^ ,руб./м3, A1.2)
где 5 - себестоимость 1 м^ очищенной воды; Э - годовые эксплуатационные расходы, руб.;
Оср.год ~ среднегодовое количество очищенной воды, мЗ.
б) удельные капиталовложения на очистку 1 м^ воды:
i<:, = — . руб./мз. A1.3)
yd Q
71

Годовой экономический эффект от внедрения новой технологии очистки или новых
конструкций очистных сооружений определяется по формуле:
э, =[(Э, +KEj-o„ +^А)]-а„. .руб., A1.4)
где Эц и Э„ - удельные эксплуатационные расходы для аналогового варианта и
варианта с включением новой техники, руб./м^; К^иК„- удельные капитальные вложения для
аналогового варианта и с включением новой техники, руб./м^; Q^^ - среднегодовой
объем воды, прошедшей очистку, м^.
В условиях сложного финансового состояния предприятий водопроводно-канали-
зационного хозяйства значимость технико-экономического обоснования (ТЭО)
принимаемых решений при проектировании, строительстве и эксплуатации систем
водоснабжения и водоотведения резко возрастает. Для нынешнего режима хозяйствования водо-
проводно-канализационных предприятий характерны условия работы, когда
отсутствует гарантированное государственное снабжение строительными материалами,
оборудованием, реагентами и приборами аналитического контроля качества воды. Вследствие
хронических неплатежей за отпускаемую потребителям воду и отсутствия должной
конкуренции среди поставщиков электроэнергии и реагентов зачастую наблюдается
необоснованное гипертрофирование отдельных статей годовых эксплуатационных затрат
Повышение надежности станций водоподготовки, в том числе за счет
биологических методов предварительной очистки, озонирования, сорбции, требует значительных
капитальных и эксплуатационных затрат. Поэтому возрастает роль достоверности и
точности методик технико-экономических расчетов и обоснований систем водоснабжения
и их составляющих. Методики выбора выгоднейшего варианта по минимуму
приведенных затрат, описанные выше, показывают, что в нынешних условиях инвестирования
проектов нет достаточных оснований для расчета величины приведенных затрат при
постоянном коэффициенте срока окупаемости в строительстве, который принимается
равным 7-8 годам. Предпочтительнее методика, предусматривающая оценку предлагаемых
технологических решений по чистому дисконтированному доходу (ЧДД), индексу
доходности (ИД) и внутренней норме доходности (ВИД). Однако ее применение
возможно лишь при нормальных условиях функционирования водопроводно-канализационных
предприятий, когда между потребителями воды и ее поставщиками нет
взаимозадолженностей. Полученные кредиты не должны использоваться на мероприятия, не
относящиеся к реализации проекта.
Необходимо более тщательно относиться к сбору и обоснованию исходных данных
для расчетов по удельным капитальным затратам и составляющим эксплуатационных
расходов. При расчетах должна исключаться «фиктивная» экономия реагентов и других
текущих затрат, так как это не позволяет в отдельные периоды года достичь требуемого
эффекта очистки воды Необходимо также учитывать на перспективу рыночные условия
приобретения реагентов, химических реактивов, контрольно-измерительной и
регулирующей аппаратуры, фактические затраты на электроэнергию, тепло и транспортные
расходы.
На стадии технико-экономического обоснования инвестиционного проекта расчет
экономической эффективности сравниваемых вариантов необходимо производить в
прогнозных и расчетных ценах. Прогнозная цена P(,f отпускаемой потребителю воды в
конце /,, периода определяется по формуле:
72

где Pg - базисная цена воды; J,, - коэффициент (индекс) изменения цен ресурсов
соответствующей группы в конце /,, года по отношению к начальном) моменту расчета, в
котором известны цены.
Базисная цена отпускаемой потребителям воды Pg, как и цена воды на
последующих этапах ее потребления Pg^,^, определяется:
Psm = ^5т + ^5@ ■ ^b(i) + '^ng^,^ , мз, A1.6)
где Ss(i) - полная себестоимость получения 1 м^ воды требуемого качества,
учитывающая текущие затраты на забор воды из водоисточника, ее очистку (и спецподготовку,
если таковая требуется), хранение, перекачку по водоводам и подачу через
водопроводную сеть каждому потребителю в нужном количестве и под необходимым напором;
Egfjj - норма эффективности инвестиций (капитальных вложений); Rgfj^ - суммарная
величина инвестиций; t^sa) ~ прибыль от реализации 1 м^ воды потребителям.
При разработке проектов по заказу органов государственного управления значения
индексов изменения цен на отдельные виды ресурсов устанавливаются в задании на
проектирование в соответствии с прогнозами Минэкономики РФ.
Себестоимость получения 1 мЗ воды требуемого качества определяется с учетом
либо всех затрат в системе: водозабор - очистка - водораспределение (если технология
и сооружения очистки воды влияют на изменение текущих и капитальных затрат по
сравниваемым вариантам на стадии не только очистки, но и водозабора и водоподачи
потребителям), либо только на стадии водоочистки (когда сравниваемые технологии
очистки воды не оказывают влияния на специфику технологий и затраты в
водозаборном з'зле и водопроводной сети).
В качестве иллюстрации могут служить технологии, когда биологическая или
механическая предочистка воды осуществляется по какому-либо из сравниваемых
вариантов непосредственно в водозаборном узле. Другим примером может служить
технология частичной очистки воды, используемой на технические нужды промышленных
предприятий. В этом случае разный эффект очистки технической воды приводит к
разной степени загрязненности транспортирующих ее водоводов и резервуаров хранения,
требующих в свою очередь затрат на их прочистку и дезинфекцию.
В условиях инфляции и дефицита ликвидных средств сравнение различных
вариантов проекта и выбор лучшего из них рекомендуется производить с использованием
чистого дисконтированного дохода, индекса доходности, внутренней нормы доходности и
минимального срока окупаемости вкладываемых инвестиций. При таком подходе показатель
- минимальный срок окупаемости служит не основным, а дополнительным критерием,
под которым понимают минимальный временной интервал от начала осуществления
проекта, за пределами которого интегральный эффект перестает быть отрицательным.
Величина срока окупаемости Г определяется из равенства:
У ^' =У ^' , A1.7)
t'oO + Ej t'oil + Ej
где /A2,3...N) ~ номер шага расчета: Т- срок окупаемости, год; Э, = (R, - 3J - эффект,
достигаемый на /-0М шаге; R, - результаты, достигаемые на /-ом шаге расчетного периода
73

(доход от реализации воды потребителю за каждый год и другие поступления); 3, -
затраты, осуществляемые на /-ом шаге (эксплуатационные затраты за год); К, -
капиталовложения на ?-ом шаге.
Норма дисконта Е^ установленная для t-w года, используется для приведения
разновременных затрат, результатов и эффектов к ценности этих показателей в начальном
периоде. Она равна приемлемой для инвестора норме дохода на капитал и
взаимоувязана с коэффициентом дисконтирования d, выражением:
d= ^-— ■ (И-8)
a + Ej
Параллельно с определением экономически выгодной технологии очистки воды и
состава сооружений, должна проводиться экологическая оценка выбранного
водоочистного комплекса.
В основу такой оценки на наш взгляд должен быгь положен постулат о том, что
сама водоочистная станция и прилегающие к ней участки территории, водоводы, узлы
сброса очищенных вод в водотоки, продукты реагентного хозяйства, отстойников и
других сооружений является объектом экологически повышенной опасности в отношении
воздействия на окружающую среду.
Общая плата за допустимый сброс /-ых загрязняющих веществ в окружающую
среду исчисляется по формуле:
Л'
/=1
т , (И.9)
П,^,=К^д-Н.тС, A1.10)
где К^ - коэффициент экологической ситуации; 5 - коэффициент индексации денежных
средств; Я,- норматив платы за сброс /-го загрязняющего вещества, руб.; ПДС - масса
предельно допустимого сброса г-го загрязняющего вещества, т/год.
Построив графики затрат на очистку или нейтрализацию промывных и
продувочных вод и сбросных газов от станции водоочистки и оплаты за сброс очищенных до
определенной степени этих отходов в окружающую среду от фактической массы
загрязняющих веществ по каждому из их видов, можно найти оптимальный вариант,
приемлемый с точки зрения охраны окружающей среды (в первую очередь водных ресурсов и
атмосферы).
11.2. Технико-экономическое обоснование по приведенным затратам
В качестве объекта для примера сравнения была выбрана станция очистки воды для
хозпитьевых целей г. Вологды. Отбор проб воды из р. Вологды и оз. Кубенское и
выполненные Базовой лабораторией МУП «Вологдагорводоканал» и НТЦ «Фонсвит»
анализы качества воды позволили установить наличие в ней помимо мутности, цветности,
окисляемости, также нефтепродуктов, железа общего, хлороформа, четыреххлористого
углерода.
Технологическая схема очистки воды по I варианту, принятая по проекту 4041 р-2
12C)-НВ Ленводоканалпроекта и реализованная в 1994 г, приведена на рис. 11.1.
74

7 R6 1
исхсянАЯ I ' /~— CI, Al2(Sp4J 6,
Рис. 11.1. Технологическая схема очистки воды на осветлителях со взвешенным слоем
осадка и скорых фильтрах:
1 - микрофильтр, 2 - смеситель, 3 - осветлитель-рециркулятор со взвешенным осадком, 4 - скорый
однослойный фильтр, 5 - РЧВ, 6 - НС-П
По II варианту сравнения принята технологическая схема, представленная на рис.
14.8 и включающая:
- первичное озонирование (резерв - первичное хлорирование);
- углевание с вводом ПАУ в трубопровод исходной воды перед префильтром
большой грязеемкости (резервный блок с периодической работой);
- обработка воды на префильтре с инертной загрузкой и сорбционной
составляющей;
- коагуляцию (флокуляцию) воды после первичного озонирования в центральном
кармане двухкамерного фильтра;
- доочистку на двухслойном фильтре;
- вторичное озонирование воды в РЧВ (резервное);
- хлорирование с возможностью ввода хлора перед и после РЧВ;
- очистку промывных вод после фильтров и обезвоживания осадка.
По варианту-аналогу (вариант III) принята разработанная лабораторией очистки
природных вод ГНЦ ВОДГЕО совместно с Союзводоканалпроекгом технология
очистки воды от природных постоянно присутствующих и техногенных загрязнений
предприятия (рис. 11.2). Она предусматривает:
- предварительное фильтрование речной воды на микрофильтрах в период цветения
водоемов;
- первичное озонирование;
- обработку воды сернокислым алюминием, полиакриламидом и ПАУ;
- обработку воды на отстойниках со встроенными камерами хлопьеобразования;
- вторичное озонирование и обработку воды коагулянтами;
- фильтрование через скорые песчаные фильтры;
- глубокую доочистку на угольных фильтрах;
75

хлорирование с целью обеззараживания воды;
обработку промывных вод и обезвоживания осадка.
Рис. 11.2. Реагентная схема очистки н обеззараживания мутных и цветных вод с
озонированием и сорбцией:
1 - исходная вода, 2 - микрофильтр, 3 - контактный резервуар первичного озонирования, 4 -
смеситель, 5 - камера хлопьеобразования, 6 - комбинированный осветлитель с блоками
тонкослойного отстаивания, 7 - фильтр с загрузкой из горелых пород, 8 - контактный резервуар вторичного
озонирования, 9 - сорбционный фильтр, 10 - РЧВ, 11 - НС-П, 12 - ввод озоно-воздушной смеси,
К - ввод коагулянта, Ф - флокулянт, И - известь, ПАУ - порошковый уголь, X - хлор, ТПФ - три-
полифосфат
Доза озона для первичного озонирования принята 4 мг/л, вторичного - 2 мг/л.
Предусмотрено резервное первичное (доза по активному хлору 6 мг/л, вторичному - 2 мг/л)
и вторичное хлорирование.
Насосная станция кроме группы основных насосов включает группы на:
- промывку контактных осветлителей;
- промывку скорых и угольных фильтров;
- собственные нужды станции.
Углевание воды осуществляется ПАУ в виде пульпы с дозой 10 мг/л с
предварительным ее замачиванием в течение 1...10 суток теплой водой (+40...+50 °С). Пульпа
перемешивается с помощью центробежного насоса и дозируется насосом-дозатором типа
ДИМБА.
В расчетах принята производительность станции с учетом расхода воды на
собственные нзокды 78,0 Tbic.M^/cjT. Из расчета исключены затраты на подготовку
территории строительства, подсобно-вспомогательные здания и сооружения, планировку,
благоустройство, озеленение, временные здания и сооружения, проектно-изыскательские
работы, содержание дирекции строительства как общие для всех вариантов. Результаты
сводного расчета сметной стоимости основных сооружений по всем вариантам в ценах
1984 года приведены в таблице 11.2.
76

Таблица 11.2
Расчет сметной стоимости основных сооружений производительностью 78 тыс. м^/сут.
Hs
1
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10
И
12
13
14

Наименование работ и
затрат
2
Здание
основных
очистных
сооружений
Реагентное
хозяйство
(включая
ПАУ)
Резервуары
чистой воды
Фильтры-
поглотители
Насосная
станция II
подъема
Сооружения
по обработке
промывной
воды
Песковая
площадка
Озонаторная

Газожидкостные реакторы
озонирования
-первичного
-вторичного
Хлораторная
Насосная
станция хоз-
бытовых
стоков
Шламовая
насосная
станция
Здание
угольных фильтров
Узел
регенерации
активированного
угля
Сметная стоимость, тыс. рублей

Строительные работы
1
3
673
312
93
13,4
97
80
153
80
160
91,2
102
43,6
32
11
4
673
280
93
13,4
97
50
-
80
160
102
43,6
32
Монтажные
работы
III
5
673
312
93
13,4
138
99
153
80
160
91,2
102
43,6
40,3
740
148,0
I
6
216
30
0,9
3,4
30
15
-
10
1,5
0,9
10
6,5
5,0
II
7
106
27
0,9
3,4
30
10
-
10
1,5
10
6,5
5,0
Оборудова
приспосо(
ния и про
инвента
III
8
216
30
0,9
3,4
40
19
-
10
1,5
0,9
10
6,5
6,6
228,6
47,5
I
9
285
34
-
1,5
108
0,6
-
2310
-
16
7,9
6,0
ние,
эле-
чий
рь
II
10
107
31
-
1,5
108
0,4
-
2310
-
16
7,9
6,0
Общая сметная
стоимость
III
11
285
34
-
1,5
154
0,8
-
2310
-
16
7,9
7,6
1491
63,7
I
12
1174
376
93,9
18,3
235
95,6
153
2400
161,5
92,1
128
58
43,0
II
13
886
338
93,9
18,3
235
60,4
2400
161,5
128
58
43,0
III
14
1174
376
93,9
18,3
332
118,8
153
2400
161,5
92,1
128
58
43,0
2460
259,2
77

Продолжение табл. 11.2
1
15
16
2
Сооружения
по обработке
промывных
вод угольных
фильтров
Технологичес
кие
трубопроводы
Итого:
Прочие
затраты
Всего по
смете
3
570
2500
4
501
2125
5
108,9
712,1
3707
6
329
7
210
8
9,9
630
9
2769
10
2587
И
17,6
4389
12
570
5598
560
6158
13
501
4923
500
5423
14
136,4
712,1
8727
800
9528
В общие эксплуатационные затраты включены затраты на реагенты (включая
порошковый уголь), затраты на электроэнергию и теплоэнергию, затраты по воде,
используемой на собственные нужды (водоподготовка, возврат в голову сооружений, сброс в
осадок), на зарплату основного и вспомогательного персонала станций очистки,
отчисления на амортизацию и текущий ремонт и прочие эксплуатационные расходы,
принятые в размере до 10% от капитальных затрат по вариантам. Затраты на реагенты при
подготовке питьевой воды из р. Вологды по вариантам представлены в табл. 11.3.
Учитывая, что фактический расход используемых в 1994 г. реагентов, приведенный в
табл. 11.3, по I варианту рассчитан на производительность станции 110-135 тыс. м^/сут., а
реальная производительность в 1994 т. составляла 78 тыс. м^/сут., затраты на реагенты по I
варианту составляют 70% от итоговой цифры по I варианту - 789,25 млн. руб.
Общие годовые эксплуатационные затраты по трем вариантам составят:
ЕЭ, = 789,25 + 662,7 + 185,5 + 9,7 + 2,64 + 492,7 = 2142,5 млн.руб.
ЕЭ„ = 692,4 + 521,1 + 185,5 + 2,4 + 2,64 + 393,8 = 1797,8 млн.руб.
ЕЭ,,, = 931,7 + 703,58 + 247,1 + 25,0 + 3,17 + 698,2 = 2608,7 млн.руб.
Приведенные затраты по вариантам равны:
П1 = 0,14 • 6158,4 + 2142,5 = 3004,7 млн.руб.
П,1= 0,14 ■ 5423,1 + 1797,8 = 2557,0 млн.руб.
П,„ = 0,14 • 9528,0 + 2608,7 = 3942,6 млн.руб.
Таблица 11.3
Затраты на реагенты при подготовке питьевой воды из р.
Реагенты
1. Сернокислый
алюминий
2. Хлор
3. Полиакрила-
мид
4. Известь
5. Порошковый

активированный уголь
Итого: за 1994 г.
за 1997 г.
Цена,
тыс.
руб./т
250
282
256
200
3000
1 вариант
Кол-во, т
2564
325,7
60,2
276
108
Стоимость,
млн. руб.
641
91,9
15,4
55,2
324
1127,5
1031,5
2 вариант
Кол-во,
т
1796
163,1
30,1
138,5
54
Стоимость,
млн. руб.
449
56
7,7
27,7
162
692,4
904,82
Вологды
3 ва
Кол-во, т
3076,8
325,7
60,2
276
риант
Стоимость,
млн. руб.
769,2
91,9
15,4
55,2
931,7
1217,67
78

Таким образом, экономически наиболее выгодным вариантом является второй с
Пд = 2557,0 млн. руб. Ориентировочная себестоимость очистки 1 м^ воды по этому
варианту составляет 93,41 руб. в ценах 1994 г. Состоянием на 01.01.2003 коэффициент
пересчёта капитальных затрат по сравнению с ценами 1984 г. может быть принят равным К = 35.
Полученные результаты расчета иллюстрируют преимущество отказа в тех случаях,
где это возможно, от применения стационарных адсорберов и отстойных сооружений.
С другой стороны, периодическое добавление гранулированного сорбента и
использование озона в качестве альтернативного способа обеззараживания в процессе
водоочистки, требует более тщательного лабораторного и технологического контроля за
качеством воды по всему тракту ее обработки. Это, в свою очередь, вызывает
необходимость соответствующей лабораторной базы и современного аналитического
оборудования и реактивов, что тоже связано с определенными затратами.
Сопоставляя удельные капитальные вложения для станций различных производи-
тельностей, но близких по реализации технологических процессов водоочистки,
рассчитанные по прейскурантам укрупненных сметных норм расценок ГПИ «Союзводока-
налпроект» отмечается значительное снижение удельных капитальных затрат с ростом
производительности станций и их существенные отличия от значений, посчитанных для
реальной станции (г Вологда) с учетом условий хозяйствования. Сопоставляя значения
капитальных затрат для вариантов, посчитанных в ценах 1984, 1994 и 1997 гг. следует
отметить, что средний коэффициент пересчета цен по фактическим затратам на
примере Вологодской очистной станции, запущенной в эксплуатацию в 1996 г. с
производительностью 78 тыс. м^/сут по сравнению с 1984 г. составил 3400. По данным «Союзво-
доканалпроекта» для станций, близких по своим технологическим решениям (три
станции подготовки воды для г. Нижний Новгород и г. Кстово с производительностями
125 и 300 тыс. м^/сут.) эти коэффициенты приближаются к 1000-1500.
В технико-экономических расчетах для всех сравниваемых вариантов наиболее
близкими к реальным являются капитальные затраты, определяемые по удельным
показателям на единицу объема обрабатываемой воды или линейным показателям
строительной части каждого из основных очистных блоков и оборудования. Эти показатели
определяются на основе фактических затрат вновь построенных станций в
близлежащем регионе и с максимально приближенной технологией. Удельные эксплуатационные
затраты (в руб./м^) следует определять на основе финансово-хозяйственной
деятельности конкретного предприятия водопроводно-канализационного хозяйства, а для вновь
строящихся очистных сооружений - по аналогу близлежащих предприятий подобного
профиля. Однако при этом дозы реагентов, их типы, режимы ввода и другие основные
параметры технологического процесса водоочистки на конкретных сооружениях
должны устанавливаться технологическим моделированием в производственных условиях.
11.3. Технико-экономические обоснования инвестирования проектов
Рассмотрим на примере специфику применения методики ТЭО по чистому
дисконтному доходу и внутригодовой нормы доходности. Допустим, что в соответствии с
уровнем инфляции в относительно надежных банках России годовая валютная
процентная депозитная ставка на вложенные средства при суммах вклада более 100 тыс. долл.
США в 1998 г. составила 35%, а в 1999-2003 гг. - примерно 20%.
79

в табл. 11.4 приведены рассчитанные по формуле A1.4) значения коэффициентов
дисконтирования при различных интервалах планирования в 1998-2001 гг.
Таблица 11.4
Дисконтная норма
£, = 0,35
Е2 = 0,2
Год инвестирования
1998
1999
2000
2001
Интервал
1
2
3
4
Коэффициент
дисконтирования
0,741
0,694
0,579
0,482
На примере ТЭО технологических схем очистки цветных маломутных холодных
вод р. Вологды для хозяйственно-питьевых целей в качестве альтернативных
технологий подготовки воды, периодически подвергающейся антропогенным нагрузкам,
приняты: состав очистных сооружений, эффективность их работы и специфика эксплуатации
приняты аналогично рассмотреным в предыдущем примере.
Технологии очистки воды одинакового состава в сравниваемых вариантах
базируются на следующих процессах:
1 вариант - микрофильтрование, коагулирование, периодическое углевание,
осветление в слое взвещенного осадка с рециркуляцией осадка, скорое фильтрование через
кварцевую загрузку;
2 вариант - биопред очистка на носителях прикрепленных микроорганизмов, пре-
озонирование, коагулирование, фильтрование через пенополистирольно-керамзитовую
загрузку с периодическим вводом в толщу префильтра мелкогранульного сорбента;
3 вариант - коагулирование, отстаивание, префильтрование, двухступенчатое
озонирование, контактное осветление в зернистой среде, сорбция на стационарных
адсорберах.
Результаты расчета окупаемости инвестиций по каждому варианту (в ценах на 1
января 1998 г для станций производительностью 78 тыс. м^сут) приведены в табл. 11.5.
Эффективность всех трех вариантов представлена на рис. 11.3.
Рис. 11.3. Варианты
эффективности инвестиций. Сравнение
эффективности инвестиций по
трем вариантам:
1 - ЧДД. 105 р.;2 - ВНД, %,3 - Г,
срок окупаемости, лет.
1,11,111-варианты технологий
л
н
о
о
д
п
н
и
ф
-9-
СО
50
40
30
20
10
О
/—71
гЕ
I
II
III
в себестоимость помимо учета традиционных затрат на очистку включаются
обязательные отчисления по установленным законодательством нормам: пенсионному
фонду, государственным фондам занятости и медицинского страхования, износ по
нематериальным активам; платежи по кредитам банков в пределах ставки, установленной
законодательством; платежи за предельно допустимые сбросы (ПДС) загрязняющих ве-
80

ществ в воде после обезвоживания осадка и в промывной воде после фильтров в случае
сброса этих вод в водоем. Платежи по кредитам сверхустановленных ставок и за
превышение ПДС осуществляются за счет прибыли.
Таблица 11.5
Расчет окупаемости инвестиций
Инвестиции, млн. руб.
Капитальные вложения
Эксплуатационные затраты на:
- реагенты
- обработку гидрооксидных осадков на фильтр-
прессах
- замену или термическую (химическую)
регенерацию сорбента
- транспортирование обезвоженных осадков к
месту использования
- электроэнергию
- тепло
- подготовку воды для собственных нужд
- оплату труда
- отчисление на социальные нужды C8,5%)
- платежи по кредитам
Суммарные эксплуатационные затраты
Плата за ПДС
Амортизация основных фондов
Доходы от реализации воды потребителям
Затраты со статьи «Доходы»:
плата за превышение ПДС
плата за размещение отходов
ИТОГО - доходы
Налоги
Чистая прибыль
Варианты
1
20,146
1,032
1,59
0
0,053
2,202
0,186
0,013
0,274
0,105
1
6,457
0,002
1,817
10,138
0,066
0,001
1,797
0,63
1,167
2
17,741
0,905
1,008
0
0,053
0,962
0,186
0,008
0,274
0,105
1
4,512
0,002
1,625
10,138
0,066
0,002
3,933
1,18
2,753
3
31,169
1,218
0,798
0,111
0,055
1,273
0,247
0,046
0,389
0,15
1
5,289
0,002
2,699
10,138
0,066
0,024
2,06
0,628
1,442
Интегральные показатели эффективности. ЧДД определяется как сумма
текущих эффектов за весь расчетный период, приведенная к начальному шагу, или как
превышение интегральных показателей дохода над интегральными затратами:
4M=Y.{R,-3:)--^-K,. A1.11)
Где 3,+ - затраты на /-ом шаге при условии, что в них не входят капиталовложения;
/Q- сумма дисконтированных капиталовложений:
1
A1.12)
K,=t.K,
l=Q
A+£)' '
где К, - капиталовложения на /-ом шаге.
Если ЧДД рассматриваемого варианта положителен, вариант является
эффективным при данной норме дисконта. Чем больше ЧДД, тем эффективнее вариант проекта.
В формулу A1.11) убыток входит со знаком «плюс», а доход - со знаком «минус» ЧДД
выражает разницу между суммой приведенных эффектов и приведенной к тому же мо-
\\

^^-^1L(R,-V)^7-^ . A1.13)
менту времени величиной капитальных вложений Kj. Индекс доходности представляет
собой отношение суммы приведенных эффектов к величине капиталовложений:
1 ^ 1
-t(i?,-3;)—^ ,
Индекс доходности тесно связан с ЧДД. Если ЧДД положителен, то ИД > 1.
При финансовом обосновании технологий вычисляются поток и сальдо реальных
денег. При осуществлении технологического проекта вьщеляются три вида
деятельности: инвестиционная, операционная и финансовая. Поток реальных денег - это разность
между притоком и оттоком денежных средств от инвестиционной и операционной
деятельности в каждый год реализации проекта (на каждом шаге расчета) Поток реальных
денег от инвестиционной деятельности включает в себя виды доходов от продажи
активов и затраты на приобретение земли, зданий, сооружений, оборудования,
распределенные по периодам (шагам) расчета. По сути сюда входят капитальные затраты по годам
осуществления проекта. Поток реальных денег от операционной деятельности
включает доходы от продажи воды потребителю, эксплуатационные затраты, средства на
амортизацию, налоги, а от финансовой деятельности - все виды кредитов (приток) и
погашение задолженностей по кредитам (отток). Если в какой-то год (на некотором шаге)
сальдо реальных денег становится отрицательным, это означает, что проект в данном виде
не может быть осуществлен. В этом случае необходимо увеличить доходную часть или
уменьшить расходную часть проекта. На практике расчет экономической
эффективности технологии завершается составлением табл. 11.6, позволяющей учитывать весь план
осуществления проекта и базирующейся на данных табл. 11.5.
Выполним расчеты ЧДД и ИД для рассматриваемых вариантов технологии.
Обозначим дисконтированный эффект, в котором из состава затрат исключены
капиталовложения, через S. По условиям табл. 11.4 и 11.6 для варианта 1 рассчитаем S,, ЧДД, и ИД\:
A1.15)
s=Z
K = S
trO + E)'
где Р - прибыль от реализации воды потребителю; ЛР - разность между притоком и
оттоком средств от финансовой деятельности. Тогда, в ценах 1998 года:
5 р
S, =У 1,179-0,741-ь 4,11-0,694+ 4,11-0,579-f-
tr(i+^)'
+14,11-0,482 +14,11 - 0,402 = 18,578 л<лн.^Е7у5.;
К, = -(-20,146) 0,741 = 14,928 млн.руб.;
ЩД1 =Si-K, = 3,65 млн.руб.;
_ S, 18,578
ИД, =-^-^^^—-1,245 •
К, 14,928
82

s
ё
«
s
(-.
о
§
•е-
•е-
Г)
)S
S
>,
о
я
г
S
я
ч
£
о
с
к
1
3
о
с
U
S
S
U
в-
я
я
СП
о
о
(N
о
о
о
(N
0\
0\
0\
оо
0\
0\
о
о
(N
о
о
о
(N
0\
0\
0\
00
0\
0\
о
о
(N
о
о
(N
О
О
о
(N
ON
0\
0\
00
0\
0\
я
&
я
m
гч
н
я
я
о
я
m
н
з:
я
а
я
m
из
ч
U
я
о
■^
гл
(N
::^
о
0\
00
г^
VO
Ч-1
■^
гл
(N
-
00
00
00
fn
'Ч
гч
'^'"
'^''
'^''
■^^
0\
я о
о о
S X
о ч
00
о"
'Ч
Г-Г
гч
■^
'Ч
гч"
гч
гч
■^
гч^
гч'
00
о"
оо
гч
Ч-1
00
гч
00^
Ч-1
00
00
о"
D, СП л-
'^ 5 « 2
S -s 5 п
^ я 5 U
S U 3 ^
00
'Ч
00
гч^
00
гч^
00
гч^
Ч-1
о
о"
Ч-1
о
о"
Ч-1
о
о'
Ч-1
о
о
гч
гч
гч
гч
гч
2
н
U
U
я
U
а-
я
я
3
со
ч-Г
ч^
о
■Ч-'
о
о
о
о
CN
о
CN
о
CN
чо'
о
CN
о
CN
чо"
3
S я
а. а
и я
а. 5
00
ОС
ОС
-.
00
гч"
00
■^
гч"
00
гч"
гч
о"
гч
гч
гч
гл"
гч
гл"
Ч-1
о"
о
00
го
00
00
00
ос^
о"
00
00
00
00
00
о"
00
00
00
00
00
00^
о"
г
я
н
§
U
в
ь:
о
с
н
я
U
я
о
D.
с
о
о
о
о.
о
о
о
•5
1-^
о
о
о
о
ЧО
о"
CN
«
а
я
я л
о f-
Si
а н
S Ч
о
о
о
Оч
ЧО
о
о
о
о
о
о
о
ЧО
о"
CN
ю
н о
о СП
« £
g "
П S
я а
р
с с
о
о
о
о.
ЧО
о
о
о
о
о
о
о
ЧО
о"
CN
CQ
о
CQ
S
н
ь:
я
S
S и
3 ^
я о.
m с
о
о
о
00
00^
о
г^
гл
00
00
о"
гч
о
о"
0\
о"
00
00
о"
гч
л
« н
я CJ
(а о
о X
= ^
я 53
= fc
= к
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
н
S
с
я
ь:
!S
3
я
я
V
са
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
3
н
S
ч
V
о.
3
к
Я'
о
а.
о
о
V.
о.
о
о
о
гл
о
о
о
CN
о
о
о
о
3
ч
U
о
о
о
о
CN
о'
о
г^
гл
CN
о'
о
о"
оо
о"
о"
CN
о"
о
с
>s
U о
S -^
я я S
1 ^ 1
2 § §
1—. со ье
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
CQ
о
ч
я
m
с?
3
е;
G
3
m
00
гч"
ОС
гч"
00
гч"
гл'
о"
гч
о
no"
'^"
00^
fn"
гл"
гч
ON
CQ
U
а
о
U
э
S
S
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
о
из
о
S
е-
о
с
к X
я я
= S
^\
г а
и са
Ч-1
гч
о"
Ч-1
Os
ЧО,
00
ч-Г
оо^
ЧО
ЧО,
чо"
CN
чо
ЧО
чо
чо
"Т.
00
я
ч
о
(-.
я
я
о
ь:
я
я
о
ч
л
83

с учетом дисконтирования срок окупаемости по варианту I составляет Г/ = 5 лет.
Внутренняя норма доходности (ВНД) представляет собой ту норму дисконта Е^^, при
которой величина приведенных эффектов равна приведенным капиталовложениям. Она
определяется из уравнения:
Решение уравнения дает: Е^^ = ВНД, -^ 24,9%.
Аналогично, выполнив расчет для вариантов 2 и 3, получим: 5^ = 17,852 млн. руб.;
К2 = 13,146 млн.руб.; ЧДД2 = 4,706 млн.руб.; ЯД^ = 1,358; Г^ = 3 года; ВНД^ = 7,23%;
5з = 27,231 млн. руб.; К^ = 23,096 млн. руб., ЧДД^ = 4,135 млн. руб.; ИДз = 1,179;
Тз = Атот,ВНДз= 13,36%.
ИД и ЧДДцпя варианта 2 выше по сравнению с вариантами 1 и 3. Если сравнение
альтернативных вариантов проекта по ЧДД и ВНД приводят к противоположным
результатам, то предпочтение отдают варианту с большим 'ЩЦ- Таким образом,
технология по варианту 2 более выгодна (рис. 11.4).
В Вологодском государственном техническом университете разработана
программа для персонального компьютера в приложении Excel, позволяющая автоматически
вычислять внутреннюю норму доходности технологии и срок окупаемости с месячным
шагом.
При оценке эффективности инвестиционных проектов систем водоснабжения (в
частности технологий) по ЧДД и ВНД соизмерение разновременных показателей
осуществляется путем приведения (дисконтирования) их к ценности в начальном виде.
Если в первый год производственной стадии сальдо реального денежного потока
принимает отрицательное значение, даже несмотря на высокие показатели эффективности, то
проект в предложенном виде неосуществим. Необходимо изменить проект (увеличив
доходную часть, или уменьшив расходную и найдя дополнительные источники
финансирования) и после этого вновь повторить расчет. Из результатов расчета видно, что
финансовый план проекта по варианту 2 является сбалансированным и позволяет выйти
предприятию на самофинансирование и саморазвитие.
11.4. Тарифная политика предприятий водопроводно-канализационного
хозяйства
Тарифная политика предприятий ВКХ должна разрабатываться на среднесрочную
перспективу (как минимум, на 3-5 лет) и учитывать технологические и
организационные изменения, а также программы развития. Например, перед принятием решения об
утверждении значительных капиталовложений, которое может потребовать внешнего
финансирования, необходимо оценить их влияние на будущие тарифы в последующие
годы (например, вследствие увеличения амортизационных отчислений или сумм на
обслуживание долга).
Основой расчета необходимого объема доходов для установления тарифов на
конкретный год является годовой финансовый план, который разрабатывается на основе
долгосрочного финансового плана предприятия ВКХ. Годовой план должен быть
разработан более подробно, чем долгосрочный план.
84

Прогноз годовой потребности в доходах основывается на опыте предшествующих
лет и учитывает такие тенденции и факторы, как макроэкономические показатели,
планируемые технологические и организационные изменения, предполагаемые
капиталовложения и изменение объемов потребления воды или водоотведения.
Прогнозируемые потребности в доходах могут быть разделены на три основные
категории:
R = R^+R^+Щ, A1.7)
где й| - текущие и эксплуатационные расходы - прогнозируемые текущие и
эксплуатационные расходы, основанные на суммах, затраченных в прошлом по материалам
бухгалтерского учета, откорректированные так, чтобы они могли отражать уровень затрат,
которые предполагаются иметь в новом году; ^2 - потребности в капитале -
прогнозируемые капитальные затраты, обеспечивающие, например, амортизацию, обслуживание
долга и прибыль на инвестированный капитал в период действия тарифов; R^ - налоги
на доход (прибыль) - прогнозируемые суммы налогов, основанные на величине
ожидаемого дохода, подлежащего налогообложению и с учетом фактического уровня
полученных доходов.
гдеЛ,) - текущие и эксплуатационные расходы для требуемых доходов, включая
следующие статьи затрат: зарплата; материалы; электроэнергия; внешние услуги
(подрядчики); косвенные налоги и сборы (например, отчисления в дорожный фонд); /?i,2 - плата
по контрактам или аренде; Ли - издержки по безнадежным долгам.
Для составления плана-графика с указанием прямых текущих эксплуатационных
расходов на водоснабжение, канализацию и другие виды деятельности, приносящие
доходы, с разбивкой по основным структурным подразделениям, собирают данные о
фактических и/или расчетных текущих и эксплуатационных расходах за последние два
года, о будущих текущих расходах, детально изложить предпосылки, лежащие в основе
этих расчетов.
При расчете затрат также необходимо учесть косвенные затраты, включая затраты
вспомогательных подразделений, а также общие и административно-хозяйственные
расходы.
«Текущий ремонт» - это ремонт и техобслуживание, которые не являются ни
капитальным ремонтом, ни капитальными инвестициями.
На работы по обслуживанию и ремонту, выполняемые вспомогательными
подразделениями, применяются определенные стандартные нормы времени, потраченного
каждой из вспомогательных служб на проведение обслуживания и ремонта по
основным статьям расходов.
Издержки, приходящиеся на административные отделы, например плановый отдел,
бухгалтерию, распределяются между основными блоками расходов пропорционально
доле расходов по зарплате этих блоков в общем фонде заработной платы.
Если предприятие ВКХ заключает соглашение с частным подрядчиком на
предоставление услуг, платежи по контрактам или аренде (R^2) должны быть включены в
расчет тарифа. Если при расчете необходимого объема доходов учитывается арендная
плата за основные фонды, то амортизационные отчисления по этим активам исключаются
из расчета общей величины амортизации, учитываемой в ^2.
85

Величина арендных платежей должна устанавливаться на основе рыночных
условий и определяться в контракте между собственником основных фондов и арендатором
(оператором). При расчете этих сумм необходимо учитывать следующие компоненты:
стоимость основных фондов и амортизации, стоимость капитала, потребность в
инвестициях для развития системы и обеспечения соответствия установленным стандартам
на услуги, а также влияние на величину тарифа.
Необходимо образовать структурный резерв, основанный на анализе дебиторской
задолженности. Предприятие ВКХ должно отвечать за принятие эффективных
процедур взимания платежей, чтобы минимизировать безнадежные долги f^isi. ^
администрация должна содействовать пересмотру нормативных документов о списании
безнадежных долгов. В ситуации, когда ПВКХ не может принять эффективных мер по
обеспечению собираемости платежей, может потребоваться установление большей
величины структурного резерва в составе тарифа.
В случаях, когда сумма списанных безнадежных долгов превышает установленный
размер структурного резерва, а для реализации эффективных мер по собираемости
платежей нет препятствий, предприятие не может иметь права перекладывать избыточные
издержки по безнадежным долгам на тарифы. Для него это должно создавать стимул
для организации эффективного обслуживания потребителей и процедур начисления и
взимания платежей.
Второй составляемой, учитываемой при расчете необходимого объема доходов,
являются капитальные затраты, направленные на увеличение производственных
мощностей.
Предприятием ВКХ должно быть разрешено включагь в расчет потребности в
доходах, чтобы обеспечить наличие соответствующих средств для модернизации и
замены действующих основных фондов, а также для развития системы, направленного на
охрану здоровья и безопасности населения, а также окружающей среды. Капитальные
затраты должны включать в себя прибыль на инвестированный капитал.
Следующие затраты на реализацию инвестиционных программ учитываются при
расчете потребности в доходах:
^2=^2.1+^.2+^.3, A1.9)
где i?2.i ■ амортизация или плановая модернизация; ^2 2 ~ выплата процентов по
кредитам и, в некоторых случаях, основной суммы займа; i?2 з ~ прибыль владельцев
инвестированного капитала.
Амортизационные затраты должны рассчитываться и включаться в потребность в
доходах как способ финансирования обновления и замены действующих основных
фондов, а также для обеспечения источника финансирования выплаты кредитов, взятых для
развития предприятия, или для создания резерва для развития системы.
В основе расчета величины амортизации, учитываемой в составе тарифа, должен
лежать период технически нормальной эксплуагации активов. Техническая
эксплуатационная долговечность активов водоканала не обязательно равна сроку амортизации,
принятому для целей налогообложения прибыли.
Капитальный ремонт направлен на поддержание производственных активов в
рабочем состоянии. Стоимость капитального ремонта может быть включена в состав
производственных затрат предприятия - в амортизационные отчисления. Поэтому
предприятие, в принципе, должно оплачивать капитальный ремонт.
86

Между ПВКХ и местным органом власти (городской администрацией,
муниципалитетом) должно быть соглашение, определяющее, что средства, получаемые за счет
использования амортизационных отчислений, будут резервироваться и помещаться на
отдельный счет для использования на обновление и замену действующих основных
фондов, модернизацию хозяйства или выплату кредитов, взятых на финансирование
развития инфраструктуры предприятия.
Предприятия должны вести учет основных фондов, что позволит рассчитывать
величину балансовой стоимости основных фондов, накопленную амортизацию и
амортизационные отчисления на основные фонды.
С другой стороны, плановые инвестиции на модернизацию, если они превышают
амортизацию, могут быть включены в тариф дополнительно. Однако это должно быть
предметом переговоров между предприятием и администрацией.
При расчете необходимого объема доходов надо учитывать затраты на выплату
процентов с кредитов, полученных для финансирования программ развития предприятия.
Выплата процентов в период строительства также может быть включена в тариф, если
финансирование строительных работ будет признано целесообразным.
Иногда при наличии кредита на развитие инфраструктуры предприятие сможет
возместить в тарифе большую из величин, выплату основной суммы займа или
амортизацию активов, финансируемых из этих кредитов.
Затраты на привлечение капитала могут быть возмещены в тарифе и рассчитаны
как прибыль на инвестированный капитал, но не как доля расходов предприятия. Их
расчетная величина может отличаться от величины налогооблагаемого дохода и/или
чистой прибыли.
Горадминистрация устанавливает рентабельность инвестиций, финансируемых из
городского бюджета. Однако она не может быть выше нормы прибыли, которая может
быть получена от инвестиций с аналогичным уровнем риска.
Организация, занимающаяся экономическим регулированием, устанавливает
норму прибыли от инвестиций, финансируемых из источников, иных, чем муниципальный
собственник. Эта норма должна быть основана на норме прибыли, которая может быть
получена от инвестиций со сходным уровнем риска.
Действующие тарифы не должны включать в себя инвестиции, осуществленные
исключительно во благо будущих потребителей (например, расширение охвата
населенных пунктов этими услугами). Инвестиции, произведенные исключительно во благо
будущих потребителей, должны возмещаться этими потребителями. Выплата налогов
Rj - должна учитываться при определении необходимого объема доходов на основе
расчета прогнозируемого налогооблагаемого дохода.
87

12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИИ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ
БЕЗРЕАГЕНТНОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
12.1. Определение производительности водоочистных станций
Водоочистные станции проектируются, как правило, с учетом их равномерной
работы в течение суток. При небольших производительностях (<1000 м^/сут) и отсутствии
площадей под строительство регулирующих емкостей требуемой величины сооружения
и установки могут работать в течение 8-16 часов в сутки или только в периоды водопо-
требления.
Полная производительность водоочистной станции определяется по формуле:
Qnoлн.c - '^Ям.сут '^Qdon , М^/суТ, A2.1)
где бл(.о"" ~ расход воды в сутки максимального водопотребления; а = 1,03-1,10 -
коэффициент учета расхода воды на собственные нужды станции(сброс осадка из
отстойников и осветлителей, промывка фильтровальных сооружений, расход воды на
приготовление растворов реагентов, охлаждение подшипников НС-П и др.);
Q^on = 3,6-/„„^(и,е„1 +Q„2) , мЗ/суТ A2.2)
Qdon ' расход воды, необходимый для восполнения противопожарного запаса воды;
(„ож= 3 часа - расчетная продолжительность тушения пожаров с расходом в жилой
зоне Bni) и на производстве iQ„2) с их числом «i, «2-
12,2. Сетчатые фильтры
Процеживание воды через сетки из различных материалов применяется для
извлечения из воды грубых примесей в виде речных наносов из песка, ила, листьев, прутьев,
щепы, коры деревьев и кустарников, фито- и зоопланктона. Основными сооружениями,
используемыми для этих целей, в водозаборных узлах являются плоские и
вращающиеся сетки с размером ячеек в плане обычно 1x1 или 2x2 мм. Барабанные сетки и
микрофильтры монтируют во входных сооружениях станций водоочистки. Размер ячеек в
сетках последних составляет обычно от 20 до 60 мкм.
В практике очистки воды используются сетчатые фильтры, конструкции которых
отличаются:
- по применяемой технологической схеме - одно- или многоступенчатая с
фильтрованием через сетки с уменьшающимися по ходу движения воды
размерами ячеек сетки;
- по расположению сетчатого полотна - горизонтальные и вертикальные;
- по способу промывки - прямоточная, обратная или специальные виды промывок;
- по осуществлению процесса промывки - ручная с извлечением сетки из корпуса
фильтра, с ручным или автоматическим открытием запорных органов;
- по размеру ячеек сетки - от 0,01 до 3,0 мм;
- по материалу корпуса фильтра - полимерный, стальной, из нержавеющей стали,
из легких сплавов, комбинированный; по материалу сетки - нержавеющая сталь,
полимерное полотно.

Л2=7;—ТТ' A2.4)
Размер ячеек сеток назначается в зависимости от дисперсного состава примесей в
водотоке, требуемой степени очистки воды и конструктивных особенностей
водозабора. Материалы для изготовления проволоки и корпуса должны быть антикоррозийными.
При проектировании сетчатых устройств в общем случае осуществляют выбор
схемы подвода воды к сетке, определяют требуемые размеры ячеек сеток, назначают
скорости движения воды, начальные и предельные потери напора при движении воды
через сетчатые полотна, параметры промывки сеток.
Для съемных сеток водозаборов, не имеющих постоянной промывки и работающих
при производительности до 1 м^/ч, размер ячеек назначают обычно не менее 2x2 мм,
скорость течения воды в отверстиях - до 0,4 м/с, максимальные потери напора до
10-20 см.
Необходимая площадь съемной сетки может быть найдена по формуле:
^^ф^г^о) ^^.^^.^^.^^ '^^' A2.3)
где Qp - расчетный расход воды, м^/с; г], - коэффициент сжатия струи (-0,8); ri2 -
стеснения живого сечения сетки проволокой, определяемый по формуле:
(b + d)'
где b - размер ячейки сетки в свету, мм; d - диаметр проволоки полотна сетки, мм;
Г|з - 0,7-0,85 - коэффициент загрязнения сеток.
Для вращающихся сеток учитывают дополнительно коэффициент уменьшения
площади живого сечения сеток опорными рамами и шарнирами (ri4 = 0,75).
Разделение суспензий на фильтрат и осадок происходит за счет создаваемой
разности давлений АР, под действием которой фильтрат проходит через ячейки сетки, а
грубые взвешенные и плавающие в воде частицы задерживаются на ней.
Сетчатые фильтры, имеющие плоскую или цилиндрическую (реже сферическую)
поверхность, бывают периодического и непрерывного действия. Первые из них имеют
неподвижную сетку, вторые - вращающуюся, обычно непрерывно промываемую с
помощью специальных трубных систем с гидравлическими насадками.
Для фильтрующих сеток постоянной толщины с постоянной долей отверстий в ней,
то есть с постоянной начальной пористостью /Wq, объем фильтрата }¥ф, получаемый за
время / с единицы поверхности (площади) сетки F, прямо пропорционален разности
давлений на входе и выходе сетки (ЛР = Р\ - Рг) и обратно пропорционален вязкости
фильтрата \i и сопротивлению осадка, образуемого на сетке в процессе фильтрования
Лд^, и фильтровальной сетки R^:
dW^ АР
A2.5)
Fdt ^-{R^+RJ
Величину R^ в процессе фильтрования в первом приближении принимают
постоянной, пренебрегая некоторым ее увеличением вследствие частичной закупорки ячеек
сетки твердыми частицами. Сопротивление слоя осадка в течение межпромывочного
89

периода t - величина переменная. Оно обычно увеличивается от О в начале фильтроцик-
ла до максимума в конце. Если этот максимум не контролируется специальными
датчиками, то на последней стадии фильтроцикла возможны кратковременные проскоки в
фильтрат части ранее задержанного осадка и отдельных частиц. Вследствие этого
возможны краткосрочные снижения величины АР, впоследствии снова возрастающей. С
точки зрения технологии водоочистки этого допускать не следует, так как в момент
прорыва части осадка в фильтрат, качество его будет ухудшаться.
При постоянной скорости фильтрования уравнение процесса процеживания
суспензий через сетки имеет вид:
^P = \i^r^■X^■v^■t + \i■R^^v ,Т1а A2.6)
где Хд - толщина слоя образованного осадка, г^ - его удельное сопротивление, v -
скорость фильтрования
В этом режиме работы сетчатых фильтров можно принять падение давления на
сетке величиной постоянной АР^ = const, а падение давления в слое осадка АР^^
определяется как разность из общего перепада давления на фильтре и перепада давления на
сетке. Для такого случая:
ДР = ц-Го-^о-у'-Г-(ДР^)Г+ц-/г^-у ,Па. A2.7)
Обычно, в технологии водоочистки из условий прочности свойств сеток и
предотвращения проскока ранее образовавшегося осадка через сетку с ячейками размером 20-
60 мкм, рекомендуется принимать максимальное значение АР^зх к концу фильтроцикла:
ДР < 0,1 •;-0,2 м. A2.8)
^^ max — ^ '
Тогда при принятой скорости фильтрования v продолжительность полезного
фильтрования между промывками сетки 1ф определяется по формуле:
ДР„,, -\X-R-v
t^ = 2^-^~—'- г- , ч. A2.9)
Для осадков, образуемых взвесью с размером частиц порядка 1-100 мкм, значение
Го находят экспериментально в каждом конкретном случае. Для осадков с размером
частиц dQ> 1,0 мм коэффициент сопротивления Гд можно найти в первом приближении из
выражения:
^о-Ь^-^^з"У >--^> 02.10)
где а - коэффициент формы частиц, определяемый соотношением поверхности шара к
поверхности тела, имеющего тот же объем; к - эмпирический коэффициент; т^, т -
пористость слоя осадка в начале и конце фильтрования.
Для случая сжимаемого осадка на несжимаемой перегородке удельное объемное
сопротивление осадка находят из выражения;
90

г„=г„'ГАР„,/,м-2, A2.11)
где Гц' и s' - постоянные, определяемые опытным путем.
Для случая постоянной скорости фильтрования (v = const) величины APnrQ
непрерывно изменяются с течением времени /. С возрастанием t величина ЛР,^ и общая ЛР
возрастают тем сильнее, чем больше показатель сжимаемости s\ В этом случае
продолжительность фильтроцикла работы сетчатого фильтра может быть найдена по формуле:
ЛР-ЛР
Влияние различных факторов на процесс фильтрования через сетчатые полотна с
образованием на них сжимаемого осадка в первую очередь обусловлено характером
изменения удельного сопротивления осадка. Способы определения последнего
базируются на моделировании процесса фильтрования через небольшие модели.
Оптимальным вариантом работы сетчатой фильтровальной установки
применительно к водным суспензиям является такой, при котором при наименьших
гидравлических сопротивлениях на сетке и в слое осадка и минимальных затратах на промывку
фильтрующего полотна будет обеспечиваться максимальная скорость фильтрования при
заданной степени очистки воды.
Чтобы достичь такого режима работы, необходимо на основе анализа качества
природной воды, поступающей на сетчатые установки, правильно подобрать размер ячеек
рабочего сетчатого полотна и назначить начальную скорость фильтрования.
Д.т.н. Ю.М. Кузьмин, исходя из граничных условий, определяющих
продолжительность полезной (межпромывочной) работы сетчатого полотна (z^) по величине
предельного перепада давлений на сетке {ЛР„^), при котором возможно ее повреждение, и
допустимого снижения производительности установки Dg) из экономических
соображений, предложил характеризовать работу сетчатого фильтра, работающего в конкретных
условиях, с помощью совмещенного графика изменения технологических и
гидродинамических показателей. График, взаимосвязывает грязевую нагрузку на сетчатое
полотно - «2 ~/(Сй-, Q, t), степень очистки воды - Э^(%) =f(ai,t) рост потерь напора на сетке
и в слое осадка - h - j{C^ Q, t, Xq') и расход жидкости - Q, при постоянном напоре
перед установкой.
В процессе эксплуатации сетчатой установки может происходить некоторое
снижение ее производительности, оцениваемое коэффициентом полезного действия:
T^ = Qo^Qn,ax, A2.13)
где - Qo и Q„ax ' соответственно начальная и теоретически возможная пропускная
способность сетчатого полотна.
Важным условием продолжительной эксплуатации сетчатых фильтровальных
установок в заданном режиме является периодическая или непрерывная эффективная их
промывка с целью восстановления пропускной способности сетчатого полотна. В
процессе регенерации сетчатых полотен происходит отделение загрязнений от их рабочей
зоны (смыв осадка) и удаление промывной воды с загрязнениями из корпуса установки.
91

Степень отмывки сетки рекомендуется определять соотношением предельных и
начальных потерь напора:
э„^=^{К1к,)ш% .
A2.14)
В реальных условиях характер выноса загрязнений при промывке сетчатого
полотна с осадком чаще всего описывается кривыми вида 1,2 на рис. 12.1. На первой стадии
промывки продолжительностью /„, происходит вынос осадка промывной жидкостью с
одновременным его частичным разрушением.
Сп, г/м
Сф, г/м
Рис. 12.1. Зависимость
эффективности промывки сетчатых
фильтров при разных интенсивностях
промывки {q) и грязеемкости
фильтра {Г):
С„, Сф - соответственно
концентрации взвешенных веществ в
промывной воде в начале и конце
промывки; /„,...^„3
t,MHH промывок
продолжительность
tn I tni
Если предположить, что в любой промежуток времени концентрация
растворенного вещества в промывной жидкости С„, пропорциональна концентрации этого
вещества в накопившемся на поверхности фильтрующего полотна осадке С„д, то
интенсивность снижения концентрации вещества в промывной воде после достижения ее
максимального значения (первая стадия промывки продолжительностью f,) можно выразить
соотношением'.
С„, =С„_ •10"^'--'»'\г/мЗ
A2.15)
« = ^л//г„,
A2.16)
где п - тангенс угла прямой наклона к горизонтальной оси на графике lgC„, = f(t^;
v„ - скорость промывной воды, м/с; к„ - постоянная, зависящая от свойств осадка и
промывной воды; ho - толщина слоя осадка, м.
Для второй стадии промывки продолжительностью ^2 (рис 12.1) соотношения веса
загрязнений в промывной воде в начале (Gq) и конце (Сд) промывки равно:
w„
GjG^=b + c-^^ + d
W^
W„
W^
A2.17)
J
где W„^ и1¥ф- соответственно объем промывной и отфильтрованной воды, м^.
92

Для третьей стадии промывки продолжительностью ?з
GjG=l —. A2.18)
В формулах A2.17 и 12.18) Ь, с, dn е- эмпирические постоянные, зависящие от
состава осадка. При постоянной толщине слоя осадка hg требуемая скорость промывной
жидкости определяется по формуле:
v„ = , л/см2 A2.19)
где ^„^ - вязкость промывной жидкости, ЛР - перепад давления жидкости на сетчатом
фильтре в процессе промывки.
В системах подготовки воды для хозяйственно-питьевых и технических целей
рекомендуется использовать микрофильтры или барабанные сетки (рис. 12.2).
Барабанные сетки и микрофильтры следует применять для удаления из воды
крупных плавающих и взвешенных примесей (в том числе фито- и зоопланктона при
количестве клеток более 1000 кл/мл.
Сетчатые фильтры следует размещать в зданиях станций водоподготовки. При
обосновании допускается их размещение на водозаборных сооружениях.
Количество резервных сетчатых барабанных фильтров надлежит принимать:
при п_ от 1 до 5 - 1 резервный;
при Пр от 6 до 10-2 резервных;
при п > 10 - 3 резервных.
Конструктивно (рис. 12.2) они вьшолнены из вращающегося барабана со сменными
фильтрующими сетчатыми элементами с размером ячеек сеток 4040 или 6060 мкм, вала
барабана с воронками для сбора промывной воды, привода, камеры расположения барабана,
входного и выходного каналов, системы подачи и отвода промывной воды.
Окружная скорость барабана - 0,1-0,3 м/с. Глубина его погружения в воду в
камере - 4/5 диаметра барабана. Скорость фильтрования назначается с учетом факторов,
изложенных выше в пределах от 5 до 25 л/с на 1 м^ полезной площади микросетки,
погруженной в воду. Потери напора на микросетке допускаются до 0,2 м, а в установке в
целом - до 0,5 м. Расход промывной воды принимается до 1,5% от расхода
обрабатываемой воды. Давление промывной воды, подаваемой на спрыски - не менее 0,15 МПа.
Технические характеристики микрофильтров и барабанных сеток, серийно
выпускаемых заводом «Водмашоборудование», представлены в таблице 12.1.
Установку микрофильтров следует предусматривать в камерах. Допускается
размещение в одной камере двух агрегатов, если число рабочих агрегатов свыше 5.
Камеры должны оборудоваться спускными трубами. В подводящем канале камер
следует предусматривать переливной трубопровод. Промывка сетчатых барабанных
фильтров должна осуществляться водой, прошедшей через них.
При назначении режимов непрерывной промывки в процессе вращения сетчатого
барабана микрофильтров необходимо учитывать изменение перепада давлений до и
после сетки и степень загрязненности различных участков фильтрующего полотна.
Расчет площади сетчатых элементов производят при заданном интервале перепадов
давлений до и после фильтрующего элемента в пределах от 2 до 10 см.
93

ч^
3 сток 15 ^- ^"^^
13
Б. сток 14
Рис. 12.2. Микрофильтр (барабаннаи сетка):
I - сборный канал; 2 - трубопровод отвода промывной воды; 3 - датчик уровня; 4 - водосливное
окно; 5 - камера; 6 - трубопровод подачи промывной воды; 7 - задвижка с электроприводом;
8 - центральная труба с воронками сбора промывной воды; 9 - пластинчатые разбрызгиватели;
10 - ограждение из оргстекла; 11 - редуктор с электроприводом; 12 - входное отверстие
большого размера; 13 - шибер; 14 - подводящий канал исходной воды; 15 - барабан с фильрующими
элементами
Скорость вращения барабана регулируют в процессе пусконаладочных работ с
учетом степени загрязненности исходной жидкости, размера ячеек сетки, скорости
движения жидкости на подходе к сетчатому полотну и технических характеристик
выпускаемых серийно сетчатых устройств.
В зарубежной практике нашли применение сетчатые напорные установки
различных типов, которые в зависимости от технических характеристик сеток (размеров и
формы ячеек, типа плетения), конструктивных отличий и режимов работы,
применяются для очистки воды от крупных механических загрязнений, взвеси и планктона,
содержащихся в воде (рис. 12.3, 12.4).
1
4 8
tS^
-^v"
t 6 7 I 9 8
Рис. 12.3. Горизонтальные сетчатые фильтры для
систем водоснабжения американских фирм
«G.T. Woods Со» (а), «Holly» (б) и «Jardney» (в):
> - направление движения фильтруемой воды;
—> - направление движения промывной воды;
1 - корпус; 2 - сетка; 3 - струенаправляющие лопатки;
4,5,9 - блоки переключения режимов работы; 6,7,8 -
соответственно подача исходной, отвод очищенной и отвод
промывной воды
94

Таблица 12.
Технические характеристики микрофильтров типа МФ и барабанных сеток
типа БС (завод «Водмашоборудование»)
Марка
аппарата
МФ1,5х1
БС1,5х1
МФ1,5х2
БС 1,5x2
МФ 1,5x3
БС1.5хЗ
МФЗх1,5
БСЗх1,5
МФЗхЗ
БСЗхЗ
МФЗх4,5
БСЗх4,5

Производительность,
т/м^-сут.
4
10
8
20
12
30
15
35
30
70
45
105
Размеры
барабана, мм
D
1550
3050
L
1240
1240
2305
2305
3370
3370
1714
1714
3370
3370
4744
4744
L1
2064
2064
3130
3130
4195
4195
2575
2575
4091
4091
5604
5604
Размеры агрегата, мм
длина
камеры
А
2095
2095
3160
3160
4196
4196
2606
2606
4122
4122
5635
5635
ширина
камеры
2660
2660
2660
2660
2660
2660
4060
4060
4060
4060
4060
4060
Н
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1700
1700
1700
1700
1700
1700
Число

фильтрующих

элементов
18
18
36
36
54
54
18
18
36
36
54
54
Электродвигатель
марка
Т-
51/8-
6-4
АОЛ-
42-6
Т-
51/8-
6-4
АОЛ-
42-6
Т-
51/8-
6-4
АОЛ-
42-6
Т-
52/8-
6-4
АО-
51-6
Т-
52/8-
6-4
АО-
51-6
Т-
52/8-
6-4
АО-
число
оборотов
в мин
1500
750
1500
750
1500
750
1500
750
1500
750
1500
750
мощность
в кВт
2,5
1,7
2,5
1,7
2,5
1,7
4
2,8
4
2,8
4
2,8
Вес,
кг
1240
1240
1700
1700
2050
2050
2160
2100
2570
2570
3937
3970
Использование сетчатых фильтров представленных на рис. 12.3 и 12.4,
ограничивается, как правило, размером ячеек сетки до 75 мкм, так как применение сеток с
ячейками меньших размеров приводит к резкому сокращению межпромывочного периода из-
за интенсивного прироста потерь напора на фильтрующем элементе. Это, с одной
стороны, увеличивает расход воды на промывку и время непроизводительного простоя
фильтров, а, с другой стороны, повышает вероятность непредсказуемого локального
прорыва осадка, накопившегося на сетке.
95

Рис. 12.4. Вертикальные сетчатые фильтры американских фирм «Drip-Eze» (а) и
«Bermad» (б):
—>"- направление движения фильтруемой воды;
- - ♦- - направление движения промывной воды;
>-- введение жидких удобрений;
1 - корпус; 2 - сетка; 3 - быстросъемная крышка; 4 - патрубок подачи жидких удобрений; 5 -
патрубок подачи исходной воды; 6 - патрубок отвода фильтрата; 7 - патрубок сброса промывной
воды; 8 - гидроцилиндр; 9 - диск со щетками
Горизонтальные сетчатые фильтры зарубежных фирм выполнены в виде
цельносварных металлических цилиндров с антикоррозионным полимерным покрытием и
могут работать как в режиме автоматической промывки, так и с ручным открытием
клапана сброса промывной воды. Основные технологические и конструктивные параметры
сетчатых фильтров приведены в табл. 12.2.
Таблица 12.2
Характеристики сетчатых фильтров для систем водоснабжения
Фирма-
изготовитель
или организация
разработчик,
марка фильтра
"G.I. Woods Со"
"Holly" S-100
S-250
"Jardney"
"Rain Bird", RB-
400
"Drip-Eze"
"Bermad"
ПТБ "Вод-
стройиндустрия"
ФСС-6К
УкрГипроводхоз
Производительность,
м /ч
90,8
22,7
56,8
90,8
22,7-90,8
17-51
22,7
21,6
101
Диаметр
фильтра,
см
12,7
-
-
8,9
8,9
12-25
15
0,45
0,35
Длина
(высота)
сетки,м
1,2
-
-
1,02
1,5
0,5-1,2
0,42
0,8
3,16
Площадь
сетки, м^
0,492
0,21
0,43
0,285
0,419
0,2-1,0
0,21
0,8
0,8
Скорость

фильтрования, м/ч
185
108
132
319
54-217
51-85
108
42
131
Размер
ячеек
сетки
(в
свету),
мкм
-
500 - 75
250-75
85
240 - 75
240-75
420 - 75
200
50
96

Вертикальные сетчатые фильтры (рис. 12.4, а) реализуют принцип
многоступенчатого фильтрования в направлении убывающего размера ячеек сетчатого полотна, для
чего в корпусе фильтра предусмотрена установка 2-3 цилиндрических сеток,
размещенных коаксиально одна внутри другой. В результате такого расположения сеток
увеличивается скорость фильтрования через них с меньщим размером ячеек. При
производительности 17-34 м^/ч используются 2 сетки с ячейками 0,105 и 0,088 мм, при
производительности более 51 м^/ч используются 3 сетки с размером ячейки соответственно
0,149; 0,105 и 0,088 мм.
Частичную отмывку сетчатых полотен осуществляют обратным током воды, а
полную очистку сеток производят вручную с извлечением сетки из корпуса фильтра. Для
этого верхняя крыщка фильтра оборудуется быстросъемным креплением. В фильтрах
такой конструкции предусмотрен специальный патрубок для ввода жидких удобрений.
Вертикальный сетчатый фильтр фирмы «Bermad» (рис. 12.4, б) изготавливается из
формованной поликарбонатной пластмассы высоко прочности. Конструктивно фильтрующий
элемент выполнен в виде цилиндрической корзины, в которую вставляется сетчатое полотно
из нержавеющей стали. Фильтр оснащен системой автоматической промьшки,
срабатывающей при заданном перепаде давлений на фильтрующем элементе.
Система выполнена в виде гидроцилиндра, на котором установлен диск со
щетками, обеспечивающими очистку сетчатого полотна во время промывки. Одновременно с
началом движения щеток открывается клапан сброса промывной воды. После
окончания промывки с помощью специальных пружин система возвращается в исходное
положение.
На ряде зарубежных систем технического водоснабжения применяют и другие
разновидности сетчатых фильтров. Так, во Франции используют сетчатые фильтры систем
«Нетафим» и «Плюидор», в США - двойные сетчатые фильтры с отверстиями 0,09 и
0,07 мм. В Англии на одной из систем водоснабжения эксплуатируется нейлоновый
сетчатый фильтр. В Австралии практикуют применение в качестве очистных устройства с
ячейками шириной 0,076-0,21 мм и плавучие фильтры типа «Льюис» с сеткой 0,124 мм,
оборудованные системой автоматической промывки.
При нормальном обслуживании и калибровке (табл. 12.3) сетчатые фильтры
достаточно хороши для удаления взвешенных частиц из воды, но они имеют ограниченную
пропускную способность. Для повышения такой способности обычно увеличивают
общую поверхность фильтрования, хотя практически и этому есть предел. Для
преодоления указанного ограничения рядом зарубежных разработчиков были сконструированы и
изготовлены промывные устройства, работающие по принципу поперечного напорного
потока струй воды, с помощью которого скопление веществ на сетке вымьшалось
потоком жидкости и обеспечивало самопромывание без разборки оборудования.
Размер ячеек широко распространенных зарубежных, фильтров варьируется от
150 до 200 мкм. При длительный их работе могут удаляться и более мелкие частицы за
счёт уменьшения эффективного диаметра отверстий по сравнению с его
первоначальной величиной. При большом количестве в исходной воде мягких водорослей
последние способны переплетаться с ячейками сетки, что затрудняет процесс очистки
из-за плотного наслоения.
При изготовлении сеток широко используют коррозионностойкую нержавеющую
сталь и пластмассы. Для предотвращения деформации, вызываемой перепадами
давления, хорошей опорой для сетчатого элемента может быть мягкая ткань и жесткая
проволочная сетка. Периодически сетки необходимо проверять на механическую целост-
4 - 9858 97

ность. Любой незначительный разрыв или расширение ячейки существенно влияет на
работоспособность сетки.
Таблица 12.3
Классификация ячеек сеток и частиц взвеси, способных на них задержаться
Количество
меш в сетке
16
20
30
40
100
140
170
200
270
400
Эквивалентный
диаметр
отверстий, мкм
1180
850
600
425
150
106
90
75
53
38
Частицы

Крупнозернистый песок
Среднезерни-
стый песок

Мелкозернистый песок
Ил
Глина
Бактерии
Вирусы
Вирусы
Вирусы
Вирусы
Эквивалентный
диаметр частиц, мкм
1000
250-500
50-250
2-50
2
0,4-2
0,4
<0,4
<0,4
<0,4
О состоянии сетчатого фильтра сигнализируют показания манометров,
установленных на входе и выходе фильтра. Резкое падение давления на сетчатом полотне
показывает начало забивания фильтра. Однако, если в течение длительного времени не
происходит изменений в перепаде давлений на сетке, то это означает, что сетки или
уплотнения повреждены или что размер ячеек слишком увеличился (предполагая, что система
не относится к самопромывающемуся типу, в котором изменения давления менее
заметны, чем в других сетчатых фильтрах).
Безнапорные, гравитационные сетчатые фильтры иногда устанавливают на
подводящих каналах до всасывающего патрубка насоса первого подъема или питающих
трубопроводов. Такие фильтры предназначены для удаления больших по размеру
органических веществ (листьев и сорняков). Иногда используются сетки с маленькими
ячейками для удаления гравия, песка и ила в той воде, где содержание взвешенных веществ
довольно высоко. Очистные устройства сконструированы в виде специальных ленточных
конвейеров для обеспечения самопромывки. Для удаления застрявших в сетке веществ
на сетку направляются под определенным углом водяные струи. За последние 20 лет для
систем технического водоснабжения за рубежом разработан ряд серийно выпускаемых
и широко применяемых фильтров патронного и щелевого типа.
Фирма «Осмоникс Инкорпорейтд» разработала 3 вида складчатых фильтров
патронного типа для высоких расходов и малых перепадов давления в зависимости от
требований к очистке: «Флот-реке» - с фильтрующей средой из чистого полипропилена.
@,2-40 мкм), «Вентрекс» - с фильтрующей средой из полипропилена и
микростекловолокна, «Мемтрекс» - с фильтрующей средой из найлона @,1-0,45 мкм). Их стандартная
длина составляет 127 см.
Фирмой «Клод Даваль Корпорейшн» выпускаются сепараторы «Лакос» с
сетчатыми вставками, позволяющие удалять, до 98% песка. Их производительность -
2800 гал/мин, с ячейками 200 мкм.

Для систем технического водоснабжения фирма «С.оркрор" (США) предлагает
фильтры «Аркал» с конструкцией, имеющей пластмассовые кольца со шлицами,
обеспечивающие фильтрование в трех измерениях, с большой фильтрующей поверхностью.
В странах СНГ для очистки воды на технические нужды применяются
фильтрующие сетчатые кассеты и конусные фильтры с гидравлической промывкой сетчатых
полотен, разработанные в НИИ ВОДГЕО, Укргипроводхозе, Украинском институте
инженеров водного хозяйства и др.
Конструктивные схемы и общий вид некоторых из таких конструкций приведены
на рис. 12.5-12.6.
1
Рис. 12.5. Автоматический сетча- 1 i ■ .i 2 5
тый фильтр фирмы «Rain- Bird»: / | Г
1 - корпус; 2 - узел промывок;
3 - дифференциальное реле; 4 - счет- _
чик промывок; 5 - электромагнитный
клапан;6 - вантуз
Рис. 12.6. Сетчатые фильтры с по-
перемеииой автоматической
промывкой:
а - блочный многосекционный;
б - конусная сетка, вмонтированная в
напорный трубопровод
Следует отметить, что зарубежные фирмы-изготовители сетчатых фильтров, как
правило, не приводят данных по эффективности очистки от конкретных видов
взвешенных веществ, а также не указывают такие важные параметры, как продолжительность
фильтроцикла и расход воды на собственные нужды при разной степени
загрязненности воды.
Щелевые элементы, обладающие по сравнению с сетчатыми полотнами гораздо
более высокой механической прочностью, позволяют существенно повысить
производительность и надежность фильтров этого типа, так как допускают более высокие
перепады давлений на фильтрующем элементе в течение фильтроцикла (рис. 12.7).
Рис. 12.7. Полимерный щелевой
фильтр:
1 - полимерный корпус; 2 - опорные
утолщения; 3 - фланцевое
соединение; 4 - присоединительные
патрубки; 5 - фильтрующая кассета со
щелевыми кольцами
2_ 3 4
99

Результаты технологических испытаний такого фильтра представлены в табл. 12.4.
Анализ осадков, смытых с фильтра, показывает, что на фильтре задерживаются
частицы с размерами от 10 до 150 мкм. Аналогичные результаты были получены и при
анализе других осадков. Опыты по промывке, проведенные с целью проверки
восстановления начальных потерь напора, показали, что фильтр хорошо промывается в
течение не менее 30 сек. обратным током воды. Однако хорошо вымываются лишь частицы
крупных размеров E0-100 мкм). Мелкие же частицы (менее 10 мкм) прилипают к
кольцам и удаляются только при ручной отмывке после разборки фильтра.
Таблица 12.4
Результаты технологических исследований щелевого фильтра
Время
работы
фильтра, ч
6
6
6
4
5
6
6
5,5
6,5
Средний
расход воды,
м'/ч
7,3
6,9
8,5
7,1
6,2
8,6
9,6
3,9
7,2
Концентрация взвешенных
веществ, средняя мг/л
в исходной
воде
226
161
128
269
595
531
512
926
634
в фильтрате
196
129
98
159
462
264
229
692
431
Потери
напора, м
13,8
13,0
12,9
13,6
16,1
13,3
11,0
12,0
10,6
Темп
прироста
потерь,
м/ч
2,1
1,8
2,0
3,0
3,2
2,0
1,5
1,8
1,4
Грязеемкость
фильтра,
кг/м
8,3
7,2
6,0
5,8
18,9
8,3
8,0
13,8
8,6
Для предварительного осветления вод, содержащих высокодисперсные глинистые
и другие взвеси крупностью более 20 мкм при содержании их в исходной воде дО
2-^5 г/л, применяются акустические сетчатые фильтры. Эффект осветления на них
достигает 60%. В результате создания упругих колебаний звукового диапазона частот
электромагнитным вибратором в акустических фильтрах происходит непрерывная
регенерация фильтруюш,его элемента. Акустический фильтр представляет собой кругдый
(в плане) резервуар высотой 1,2-1,4 м, диаметром 0,4-0,6 м, состоящий из
металлического корпуса, в котором расположены фильтрующий элемент и уплотнения.
Фильтрующий элемент выполнен в виде перфорированного стакана из нержавеющей стали с
расположенными в шахматном порядке отверстиями диаметром 4-5 мм, обтянутого
микросеткой с размером ячеек 100-125 мкм. Штоком стакан соединен с плитой,
прикрепленной к Kopyiycy электромагнитного вибратора, который опирается на четыре пружины,
выполняющие роль амортизатора (рис. 12.8).
Обрабатываемая вода поступает в корпус фильтра по трубе со скоростью 80-150 м/ч,
проходит через фильтрующий элемент, осветляется и отводится по трубе из корпуса
фильтра. В результате возвратно-поступательного движения фильтрующего элемента
частички механических примесей на сетке не осаждаются и не происходит ее кольматация. Под
действием силы гравитации они постепенно осаждаются в конусной части фильтра и
через систему отгарированных насадок непрерывно отводятся в канализацию. Расход воды
со шламом составляет 3-5% от полезной производительности акустического фильтра.
100

Рис. 12.8. Схема акустического фильтра:
I - металлический корпус; 2 - фильтрующий
элемент; 3 - водоотбойная пластина; 4 - подвод
исходной воды; 5 - электромагнитный вибратор; 6 -
опорная плита; 7 - шток; 8 - пружина; 9 - отвод
осветленной воды; 10 - система оттарированиых насадок;
II - сильфонные уплотнения
12.3. Гидроциклонные установки
На водозаборных узлах систем водоснабжения и орошения, на скважинах
вертикального дренажа, в землесосных и пульпоподъемных установках, серьезной
проблемой является очистка природных вод от наносов, содержащих минеральную взвесь с
плотностью больше плотности воды. Решение этой задачи может быть достигнуто с
помощью специальных конструкций гидроциклонных установок (ГЦУ). Гидроциклонные
и гидроциклонно-фильтрационные установки (ГЦФУ) являются высокоэффективными
средствами для грубой очистки воды как на всасывающей, так и на нагнетательной
линиях насосов в условиях напорно-вакуумного потока. Разработанные в последние
десятилетия ряд специальных конструкций таких установок позволяют объединить в одном
гидравлическом блоке несколько основных технологических процессов: улавливание
механических примесей (песок, илистые частицы и т.д.), сгущение пульпы, защита
рабочих органов насосов от абразивного износа, отвод осадка и очищенной воды.
Небольшие габариты, высокая удельная производительность таких аппаратов позволяет
компактно и рационально объединять и размещать их в надфильтровом и подфильтровом
пространстве фильтров, в отстойниках, осветлителях разных конструкций, в приемных
отделениях береговых водосборных колодцев.
ГЦФУ рекомендуется применять для предварительной очистки
хозяйственно-питьевой воды; технической воды, подаваемой на охлаждение опор (подшипников) крупных
насосных агрегатов; для мойки мелиоративной, дорожной и сельскохозяйственной
техники; поливной воды систем орошения, и при работе различного вида форсунок,
требующих высокой степени очистки воды.
Выбор конструктивных параметров, определение месторасположения и методика
гидравлического расчета гидроциклонных установок зависит от назначения,
требований практики, технологии производства очистки, способа выноса и транспортировки
осадка.
Гилроциклонный способ водоочистки позволяет все операции - стратификацию
двухфазного потока, сгущение пульпы, вынос осадка и подачу осветленной воды -
объединить в единый моногидроблок или в схему «замкнутая гидролиния».
101

при тангенциальном вводе жидкости в конический корпус напорного
гидроциклона, смонтированного на нагнетательной или всасывающей линии насоса, из-за наличия
момента количества входящей массы жидкости относительно оси камеры поток
приобретает вращательное движение с образованием воздушного «шнура» вдоль своей оси
(рис. 12.9). За счет образования последнего происходит уменьшение живого сечения
потока с коэффициентом е. В общем случае, в напорных циклонах этот коэффициент е
зависит от значения напоров воды на входе Я^ в сливе //^ и в песковом отверстии Н„ а
также геометрических размеров аппарата (диаметров циклона D^ слива d^, пескового
отверстия d„, высоты циклона Н^), а гидравлических параметров потока (расхода через
слив 2сл. через песковое отверстие Q„, высоты песчаного завала //„) и
физико-механических свойств жидкости (плотности р, вязкости Ц/):
е = /
Я. Я. А
Я„ Я„ Я.,
2jl
н.
\
я
A2.20)
N J
Рис. 12.9. Схема гидроцнклонной установки на
всасывающей лнннн насоса:
1 - гидроциклониая приемная камера иа всасывающей линии
насоса; 2 - входной патрубок циклонной камеры; 3 - сливной
патрубок циклонной камеры; 4 - песковое отверстие
циклонной камеры; 5 - всасывающий патрубок насоса; 6 -
нагнетательный патрубок насоса; 7 - гидроэлеватор; 8 - обратный
клапан; 9 - камера сгущения; 10 - насос центробежный
Внутри гидроциклонной камеры (по осевой составляющей скорости vj образуется
два сопряженных между собой винтообразных потока, вращающихся в одну и ту же
сторону: периферийный поток, направленный в «устье» конуса, увлекающий более
плотные и крупные твердые частицы, и внутренний (центральный) поток, по которому
двигаются менее плотные и мелкие твердые частицы и основная масса очищенной
жидкости в сторону слива.
Особенностью циклонного потока является также образование внутри него
поверхности с нулевыми осевыми скоростями (НОС). По данным экспериментальных
исследований для гидроциклона (без заглубленного сливного патрубка) радиусы нулевых
осевых скоростей (г J и воздушного шнура (г,) в сечении, взятом по оси входного
патрубка, приближенно могут был. определены по следующим эмпирическим формулам:
A2.21)
r,=r^-2,4r„=0,4r^ .
где г^и г^- радиусы циклона и сливного патрубка соответственно.
102
A2.22)

в общем случае момент количества движения единицы массы в любом месте по
радиусу камеры в указанном сеченни выражается:
М=А-М.
( Л"
г
^'•.у
A2.23)
тщеАуП- коэффициенты пропорциональности.
По данным опытов Жангарина А.И. А = 0,92, п = 0,36. Из уравнения A2.23)
тангенциальная скорость (осредненная по ф = 0...360°) равна:
У^ J
в первом приближении, приняв, что А = 1; w = 1/3, имеем:
Учитывая, что:
(р ее ^'
vO
A2.24)
A2.25)
получим:
dP Уф
аг г
A2.26)
dP , , г^-'"
dr " г'-'"
с учетом вышеуказанных допущений и Р~у Ну
A2.27)
Я. = Я„ +
0.75-у^
/
-\
A2.28)
Обработка опытных данных позволяет установить следующие зависимости для
определения осевой Vj и радиальной v^ скоростей;
V =0,3-v.
0,8.3,
/- Л
\П
-1
A2.29)
А
V, = V,
г 'ex
0,6-0,53 —
A2.30)
"У
103

Расход слива через осевую скорость может быть определен по формуле:
Qa,=\^c.-^-rL-^2-g-AH^^ A2.31)
где ц - коэффициент расхода слива равен:
^ f-Ti- А
0,6-v„.Jo,8.3p-
'•у
г dr
J
ц = \ ^ . A2.32)
V ex
Для гидроциклонов с D^ = 400 мм, Н^ = 720 мм, с?„ = с/^д = 50, 80, 100 мм; d„= 10,
20 мм; ЛН„ = 4 м, ц„ = 0,22...0,27.
Расход воды через песковое отверстие может быть определен по формуле:
a = ^^«•«„•^ЧAЯ^^-Я^^ 02.33)
где ц„ = 0,54...0,12 при Я„ = 0,6...4,0 м и типовых конструктивных размерах циклонов.
Крупность граничного зерна 5, задерживаемого в гидроциклоне напорного типа
для Z)^ = 150...450 мм, v^ = 0,8v^, может быть найдена в первом приближении по
формуле:
5= LthA-^, A2.34)
где Hi - динамическая вязкость жидкости, R^ - радиус цилиндрической части камеры
циклона, v„ - скорость входа воды в циклон, р^ и рр - соответственно плотности твердой
частицы и воды.
При подготовке поверхностных вод для технических целей и предподготовке воды
перед глубокой очисткой могут быть использованы:
- блочные конструкций гидроциклонов диаметром 40,50, 75,80 мм, разработанные
Дзержинским филиалом НИИХИММАШ, включающие от 4 до 12 аппаратов с
производительностью от 20 до 150 mV4, изготовленные из нержавеющей стали или пластмасс с
давлением питания до 0,6 МПа;
- мультигидроциклоны, разработанные Центральным котлотурбинным
институтом, включающие 52 единичных аппарата диаметром 30 мм с производительностью
50 м'/ч при давлении питания 3,0 кгс/см^, изготовленные из стали СтЗ; напорные
конструкции гндроциклонов диаметром 75 и 150 мм из полиуретана, разработанные
институтом «Механобр»;
- гндроциклоны проблемной лаборатории ГИСИ, разработанные совместно с
Дзержинским филиалом НИИХИММАШ, диаметром 25, 40,60, 80, 100, 125, 160, 200, 250,
320, 400, 500 мм, изготовляемые из нержавеющей стали или пластмасс (диаметр
аппаратов до 100 мм), и сборные конструкции диаметром более 100 мм - корпус аппарата из
104

нержавеющей стали, рабочая камера монтируется из съемных стальных и
пластмассовых элементов.
В настоящее время чаще всего для отделения твердых частиц используются гидро-
Щ1КЛ0НЫ высокого и низкого давления, устанавливаемые на нагнетательной линии
насоса. Первые из них способны отделять частицы минерального происхождения весьма
малых размеров. Вторые, работающие под давлением 0,4-2,0 м вод. ст. на входе,
улавливают частицы диаметром 0,05 мм и более.
Исследованиями, проведенными на различных водоемах стран СНГ с
использованием напорных гидроциклонов диаметром от 15 до 250 мм, установлено, что эффект
осветления речной воды при концентрации взвешенных плотных веществ в исходной
воде порядка 0,5-7,0 г/л колеблется в пределах от 35 до 95%.
На рис. 12.10 показаны схемы гидроциклонов различных зарубежных конструкций.
Гидроциклоны фирмы «Laval» выполнены в виде металлического цельносварного
корпуса с внутренним антикоррозионным покрытием. Фирмой выпускается несколько
разновидностей гидроциклонов, различающихся по конструкции входной камеры - струе-
направляющие отверстия или лопатки; габаритным размерам; положением установки -
вертикальное или наклонное; способу сбора шлама - непрерывный, периодический с
ручным открытием сбросного клапана, периодический с автомагическим открьггием
сбросного клапана. При производительности одного гидроциклона от- 0,68 до 17 м'/ч
диаметр циклонной камеры составляет от 60 до 127 мм, высота циклонной камеры - от
299 до 660 мм, общая высота гидроциклона - от 508 до 914 мм. Фирма выпускает
подобные гидроциклоны и большей производительности. При необходимости получения
более высокой степени очистки применяют так называемые супергидроциклоны Лава-
ля, которые представляют собой последовательно соединенные гидроциклоны. По
требованию заказчика гидроциклоны оборудуются системой автомагического сброса
шлама, которая через определенные промежутки опорожняет шламовую камеру.
) 7 6 2 3 4 10 / } }_ /
\Л ssB SJ л , Ч ^^—J5:irio
0^1 ^^-^ ¥^
F'
Рис. 12.10. Гидроцнклоны для очистки поверхностных водв в системах водоснабжеиня:
> - движение осветляемой воды; - - •► - движение шлама; а - фирмы «Laval» со струена-
правляющимн лопатками; б - фирмы «Laval» со струенаправляющнми отверстиями; в - низкого
давления; г - с эжектором для принудительного отвода шлама; д - двухкамерный: 1 - патрубок
подачи воды на очистку; 2 - корпус гидроциклона; 3 - циклонная камера; 4 - струеиаправляющне
лопатки; 5 - струенаправляющие отверстия; 6 - разделительная пластина: 7 - шламовая камера;
8 - эжектор; 9 - патрубок отвода шлама; 10 - патрубок отвода осветленной воды
105

в технических условиях на зарубежные циклоны указано, что они эффективны для
удаления частиц минерального происхождения с размером крупнее 75 мкм, но не
эффективны для удаления большинства органических примесей.
Гидроциклоны низкого давления представляют собой напорную металлическую
цилиидро-коническую емкость с тангенциально расположенным патрубком для подачн
исходной воды. Вследствие того, что используемые при работе таких гидроцнклонов
напоры значительно ниже, чем у гидроциклонов высокого давления, их удельная
материалоемкость значительно ниже.
Разновидностью гидроциклонов высокого давления являются двухкамерные
гидроциклоны. Следует отметить, что параллельное подключение гидроциклонов, так же как
н других технических средств очистки воды, широко применяется в практике
водоочистки, так как позволяет уменьшить количество запорно-регулирующей арматуры и
упростить эксплуатацию.
Эффективность очистки воды на гидроциклонах определяется многими факторами,
в частности дисперсностью удаляемой из воды взвеси, ее плотностью,
конструктивными размерами элементов гидроцнклона, величиной создаваемого на нем перепада
давления и др. Технические показатели работы гидроциклонов различных конструкций на
природных водах представлены в табл. 12.5 и на рис. 12.11.
Улучшение эффекта очистки в гидроциклонах достигается при уменьшении
диаметра циклонной камеры, увеличении перепада давления на входе и выходе, повышения
содержания, плотности и крупности взвешенных частиц в очищаемой воде.
Применение гидроциклонов для очистки воды в системах водоснабжения целесообразно для
удаления из воды взвесей минерального происхождения с плотностью частиц,
превышающей плотность воды, и диаметром частиц взвеси более 75-50 мкм, причем наибольший
эффект очистки достигается на гидроциклонах малого диаметра - микроциклонах.
100—
Рис. 12.11. Графики зависимости эффекта
очистки воды в напорном мнкроцнклоне от
гидравлической нагрузки н содержания взвешенных
веществ в исходной воде (С^, г/см^):
1 - Со > 5,0; 2 - Со = 2,5; 3 - Со < 0,6-1,0
О 0,1 0,2 0,3 М
Расход воды в ыикроциклоне, л/с
В вакуумгидроциклонных установках (рис. 12.9) изменение эпюр давления
отличается от таковых в напорных гидроциклонах. Ра:ч'*жение, создаваемое за счет вакуумме-
трической высоты всасывания, создаваемой насосом, сопряженным со сливным
патрубком гидроциклона, возрастает от периферии к центру. Вакуумметрическая высота
всасывания в этом случае должна быгь согласно уравнения Бернулли не менее:
Л.>А^ = ..-^.1ф^, (.2.35)
где Рд и Р„, v„ и Vg^ - соответственно давления и скорости движения воды на входе и на
выходе их гидроциклона.
106

Эффективность режима работы вакуумгидроциклона, под которой
подразумевается извлечение из воды плотных частиц взвеси, степень сгущения осадка и условие
отвода его через песковое отверстие, зависит от отношения напора апп^ата Н„ к вакууму
в «устье» вакуумгидроциклона, создаваемого базовым насосом:
1 = ^ = 1,2-1,0
A2.36)
Расход воды через слив вакуумгидроциклона определяется из уравнения Бернуллн,
составленного для сечения, взятого перед входом в насос, и сечения на уровне
горизонта воды в водоисточнике. При определенных эмпирических значениях коэффициента
расхода е = 0,6, площади сливного патрубка, равного площади входного патрубка
насоса со^ = cOg^, коэффициента местных потерь напора на линии всасывания YJC, =80-90,
расход через слив может быть определен по формуле:
е,.„=ф-е(й„- 2-g
V 2Я.
A2.37)
где ±z„ - положительная или отрицательная высота размещения насоса; "ZCjty^tl-g) -
сумма потерь напора на линии всасывания; Н^ - высота всасывания.
Таблица 12.5
Технологические показатели работы напорных гидроциклонов различных конструкций на
природных водах
Тип
гидроциклонов и место про-
ведеиш)
исследований
1
Конический
напорный,
р. Кура
Напорные
конструкции, р.Кура,

Диаметр,
мм
2
75
50
100
150
150
200
300


дительность,
м'/ч
3
2,3
4,25
5.83
12,0
35,7
35.7
52.3
129
Давление
на входе,
МПа
4
0,1
0,15
0.20
025
0,05-0.20
Крупность

улавливаемой взвеси
средняя, мкм
5
10-20
12.3
21.0
21.4
22.6
32,2
29,1
29,9
41,1
42,1
Содержание взвеси.
мг/л
в
исходной воде
6
864
1060
1096
1221
1000
1000
4000
1000
4000
1000
4000
1000
4000
в осветлен-
иой воде
7
562
540
496
488
350
480
1600
520
2120
620
2480
720
2920
Эффект

осветления.
%
8
25
49
55
60
65
52
51
48
47
38
38
28
27
107

Продолжение таблицы J2.5
1
Напорные
конструкции,
р.Иня
г. Новосибирск
Двухкамерный
напорный
КазНИИВХ,
оросительная
вода
Джамбульская
обл.
2
50
200
3
3,5
98,0
120,0
4
0,20
0,20
0,30
5
10,5
10,8
10,5
10,0
100-50
Песок
6
1750
1170
575
260
7000
7000
7
525
440
220
102
220
310
8
69
62
60
57
97
96
В зависимости от назначения и условий работы вакуумгидроциклоны могут
устанавливаться на оголовках, перед всасывающим патрубком насоса и на середине
всасывающей трубы.
В установке, представляющей собой моноблок вакуумциклона с оголовком на
всасывающем трубопроводе насоса, вода за счет вакуума поступает тангенциально по
отверстию в циклонную камеру, освобождается там от наносов за счет центробежных сил
и через сливной патрубок циклона поступает к насосу. Задержанный в камере песок и
плотные наносы минеральной взвеси собираются в конической камере циклона, откуда
с помощью гидроэлеватора, питаемого водой от напорного патрубка насоса с помощью
трубки, через песковое отверстие выбрасывается на береговую песковую дренажную
площадку.
На объектах сельскохозяйственного водоснабжения и обводнения пастбищ
гидроциклонные установки применяются как:
- устройства, обеспечивающие частичную очистку воды на насосных станциях
1-го (вакуумные гидроциклонные установки) и 2-го (гидроциклонные установки напор-
но-вакуумного режима работы) водоподъемов групповых водопроводов;
- устройства для стратификации потока на всасывающей линии гидроэлеватора на
базе погружных насосов сельскохозяйственного водоснабжения;
- сгустители пульпы в составе водоподъемных установок с замкнутой
гидротехнологической линией.
При использовании в качестве базового насоса ЭЦВ в гидроциклонно-элеваторной
установке, в которой рабочим насадком гидроэлевагора служит нагнетательный
патрубок насоса Я„ величина вакуума на стенке гидроциклона может быгь найдена по
формуле:
Я =Я -0,8-
2g
Г г Л
v''/
a+i.5)
A2.38)
в напорно-вакуумных гидроциклонных установках, состоящих из единого
гидравлического комплекса, включающего в себя моногидроблок и замкнутую систему
трубопроводов с насадками в вакуумной части, осуществляется забор осветленной части
жидкости и осаждение наносов, а в напорной - сгущение осадка. Эжектирование осад-
108

ка из вакуумной секции и подача его в напорную часть производится вихревым
гидроэлеватором, размещенным тангенциально между ними. Расход воды через водослив
такой установки определяется по формуле:
a.,=l.57•r^ i2.g
A2.39)
где Л„ < Л^,™" - вакуумметрическая высота всасывания, 11^ = 26.
Как и для вакуумгвдроциклона, в моноблочном гидроциклоне-сгустителе,
основным показателем, характеризующим эффективность его работы, является критерий:
G,=—^ = 1,2-2,0 A2.40)
Гидроциклонно-фильтрационные установки (ГЦФУ) - конгломерация на базе
центробежного насоса гидроциклонной камеры (напорной, напорно-вакуумной или
вакуумной в зависимости от назначения), камеры сгущения, гидроэлеватора и фильтра
тонкой очистки. Размеры входящих в состав и ГЦФУ устройств взаимосвязаны и
взаимообусловлены. Поэтому установление более оптимальных соотношений их параметров
имеет большое практическое значение.
Для установления соотношений основных параметров циклонной камеры и
струйного аппарата в первом приближении принимается, что выходной диаметр сливного
патрубка циклонной камеры d^ равняется диаметру всасывающего патрубка насоса d^j,,
т.е. d^, = d^. Тогда соотношения других параметров могут быть приняты в следующих
пределах:
- диаметр входного патрубка циклона - dg^ = A ...2) d^;
- диаметр циклона d^ = C,5...4,5) d^j,;
- общая высота циклона Л = B...2,5) d^;
- цилиндрическая часть циклона Л^ = (\...2)d„;
- диаметр пескового отверстия d„ = @,1...0,25) d„;
- угол конусности циклона Р = 20...30°;
- диаметр рабочего сопла струйного аппарата d^ = @,4...0,5)d„;
- диметр камеры смешения аппарата d^^ = d„;
- длина камеры смешения /^^ = F...9) d^^..
Кроме того, при назначении диметров пескового отверстия, камеры сгущения и
камеры смешения надо учитывать то обстоятельство, что они должны обеспечить выход
одновременно нескольких фракций наносов наибольшей крупности, поэтому должно
соблюдаться также условие:
rf„ = D...8M, A2.41)
где 5 - наибольший диаметр фракции.
Входные патрубки затопленных циклонов рекомендуется выполнять
прямоугольного сечения, принимая следующие соотношения параметров:
109

h = 1d^ A2.42)
где h - высота щели; dg^ - ширина щели.
Для увеличения производительности внутри цилиндрической части циклона
устанавливается также струенаправляющий аппарат.
Одним из основных элементов, обеспечивающих нормальную работу ГЦУ,
является гидроэлеватор, встраиваемый в «устье» конуса.
Рекомендуются три конструкции гидроэлеватора - вихревой, прямоточный и
кольцевой.
Прямоточный и кольцевой гидроэлевагоры рекомендуется применять в том случае,
когда перед Песковым отверстием циклона, исходя из технологической схемы
производства работ, возникает необходимость в создании песчаной «подушки», а вихревой - в
случае, когда перед Песковым отверстием нет скопления наносов и вьггекаюшая из него
струя жидкости, не изменяя направления своего вращения, транзитом выносится из
камеры.
12.4. Сооружения для безреагентного отстаивания воды
Одним из наиболее рациональных сооружений комплексного назначения, включая
предаарительное отстаивание речных высокомутных вод являются водоприемные
ковши и подводящие каналы от головного источника водоснабжения до очистной станции.
При благоприятных рельефных и климатических условиях в составе водозаборно-очит-
ного комплекса целесообразно устройство запасно-регулирующих бассейнов
(водоемов), располагаемых непосредственно возле водотока в районе головного водозабора.
Обеспечивая в них наполнение и хранение до 30-45 суток объемов воды, такие
сооружения используют для комбинированной физико-химической и природной
биологической эффективной предочистки воды.
В подводящих каналах при соответствующем обосновании, в частности, при
необходимости удаления из очищенных вод ингредиентов антропогенного происхождения,
экономически и технологически обоснованно высаживать высшие водные растения
(тростник, рогозник узколистый и др.) и оборудовать наплавными биоконтейнерами.
Однако, при этом должны обязательно осуществляться мероприятия по
своевременному удалению из каналов и отмерших и исчерпавших свою биосорбционную емкость
насаждений.
Вторым важным условием эксплуатации сооружений является поддержание в них
требуемого кислородного режима и прочистки заиливаемых участков.
Наибольшее применение в практике водоснабжения и гидротехнике находят
ковшевые водоприемники, выполняющие одновременно функции сооружений для
предочистки и средств борьбы с шуголедовыми помехами. Различают ковши с верховым, низовым
и двухсторонним входом воды из водотока (рис. 12.12).
Ковши с верховым входом применяют на реках, где не требуются особые меры по
борьбе с шугой и при относительно небольших количествах наносов (< 0,1-0,5 кг/м^).
На реках с большой мутностью воды (до 4-5 кг/м^) ковшевые отстойники должны
обязательно оборудоваться устройствами для самопромыва при увеличении
транспортирующих скоростей движения воды. Такие устройства представляют собой регуляторы со
щитовыми затворами, струенаправляющие дамбы, трубные регуляторы, размещаемые
на входе в ковши и др.
ПО

По производительности водозаборов на реках с небольшими глубинами и
периодическим образованием шуги, ковшевые отстойники целесообразно устраивать при
расходах воды не менее 0,5 м%.
При проектировании ковшевых отстойников определяют отметку дна ковша Z^ ^ :
2a.. = 2:..,.,-U3pA-03-D-/i„, м
A2.43)
где Zj^^y - минимальный уровень воды в зимнюю межень, м; Рд и 6^ - соответственно
плотность и расчетная толщина ледового покрова в русле реки; 0,3D- заглубление
верхней кромки водоприемного отверстия водозабора с диаметром D под нижнюю
поверхность льда; Ир - высота порога приемных отверстий @,5-1,0 мХ зависящая от
расчетного слоя отложения наносов в ковШе.
Ширину водоприемного ковша по дну {Вд) по условиям заложения откосов т
находят по формуле:
где
A2.44)
A2.45)
^муш. - отметка минимального уровня воды в период шугохода,
где Vj - средняя скорость движения воды в ковше, к - эмпирический коэффициент нз
формулы А.С.Образовского; И„ - высота слоя наносов, м.
Вд
а) у5 ^ „ 6) 5 }• Вд
Рис. 12.12. Схемы для выбора
и расчета водоприемных
ковшей с низоиым входом:
а, б, в, г - частично
затопляемые; д, е, ж - незагопляемые:
1 - верховая затопляемая в
половодье дамба; 2 - низовая неза-
топляемая дамба; 3 -
регуляторы; 4 - речная незагопляемая
дамба; S - насосная станция;
6 - радиальные отстойники
111

Обычно величину Вд назначают в пределах 5-8 м. Полную длину ковша
определяют по формуле
L = (\.\-\.5)B,+l^+l^.» 02.47)
где A,1 - 1,5)fig - длина входной части водоприемного ковша; В^ - ширина входа ковша,
измеренная по урезу воды при среднем уровне ее в период шугохода; /„ = 5-35 м -
длина участка ковша, на котором откладывается шугоносный лед; /р - длина рабочей части
ковша, в пределах которой к концу шугохода всплывают все частицы льда с
гидравлической крупностью Wg > 0,015-0,020 м/с.
Оценку задерживающей способности ковшевых отстойников по взвешенным веше-
ствам производят по гидравлической крупности фракции наносов, полиостью
задерживаемой в ковше {w„), мутности воды до и после ковша (А^, суточном объеме отложений
наносов в ковше {JV), мощности слоя наносов на входе в ковш (Л„).
Гидравлическую крупность фракций взвешенных наносов, задерживаемых в
ковше, определяют по формуле:
и„= ^ , мм/с, A2.48)
где 6„, S - соответственно ширина транзитной струи и расчетная длина выпадения
фракции с гидравлической крупностью «„, Р - угол бокового расширения транзитной струи,
принимаемой в зависимости от формирования транзитных струй при разных
конструкциях входных блоков ковшевых отстойников, равный от 0°5' до 3-11° (рис. 12.12).
Обычно принимают
5 = @,5-1,0I . A2.49)
Мутность воды вытекающей из ковша (Л/^) определяют по опытным кривым
осаждения взвеси (рис.12.13) из формулы
1
М„ (i
.. , . A2.50)
М., . и.
"о
и \ п/
где М„ — мутность воды на входе в ковш, г/м^ (кг/м^);
«o = 0,04v„, A2.51)
где Уд - скорость течения воды в реке; «„ и и„- соответственно наибольшая
гидравлическая крупность в составе взвешенных наносов, транспортируемых речным потоком и
гидравлическая крупность фракций не выпадающая в транзитной струе
ы„ = 0,016v„ t , м/с, A2.52)
где \^1^ - скорость в концевом сечении транзитной струи.
112

в) р
1
0,8
0,6
0,4
0,2
О
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 "ir
Рис. 12.13. Схемы расположении транзитной струи в низовом (а) и заглубленном в
берег (б) ковшах, а также зависимость р от h>/h>„„„ (в)
Суточный объем отложений наносов в ковше определяют по формуле
В
р
с о ч
- ^ш
А
пах
wJ-^M.eU-''
Рн V К
где Qg - расход воды, забираемой из ковша, mVc; р„ - плотность отложений наносов, т/м^;
Qa^ - расход водообмена ковша с речным потоком.
Перед шугоходом и после паводков проводят расчистку подходов к водоприемным
ковшам с помощью землеройных снарядов. Самопромывающие ковши позволяют
производить очитку бассейнов за счет речного стока. Опыт работы ковшов-отстойников
показывает, что при условии соблюдения требований к их эксплуатации удается достичь
70-80% эффекта удаления из воды взвесей и фитопланктона.
Одним из эффективных комплексных методов забора и улучшения качества
исходной воды является устройство прибрежных (наливных) водохранилищ для осветления
воды из загрязненных рек и каналов, подверженных периодическим залповым сбросам
в них загрязнений. Этот метод широко распространен в ряде стран Европы. Так, в
Нидерландах воду из р. Рейн перед очистными сооружениями сначала направляют в
наливные водохранилища для отстаивания от 7 до 260 суток. В крупных городах (Амстердам,
Антверпен, Роттердам) на водопроводах производительностью от 100 до
600 тыс. м^/сутки такие водохранилища позволяют исключить водоотбор из рек в
периоды их случайного аварийного загрязнения. Они обеспечивают стабильное водоснабжение
при низких уровнях и расходах воды в источниках, улучшая качество исходной воды.
Значительный запас воды в водохранилищах позволяет отключить любое из них
для регулярной очистки земснарядами или ремонта, а также более строго подходить к
качеству воды, используемой для их заполнения. В периоды паводка, повышенного
содержания в воде аммонийного азота, планктона и других токсичных компонентов отбор
воды из реки не осуществляется.
Процессы бактериального самоочищения в водохранилищах замедляются при
температуре воды в них ниже +6...+8''С. На практике увеличивают объем водохранилищ и
время пребывания воды в них до такой степени, чтобы определенный период
пребывания там воды обязательно приходился на теплое время года. Интенсификация очистки
воды в наливных водохранилищах осуществляется повышением эффективности про-
113

цессов биологического самоочищения за счет сокращения времени пребывания воды в
них до 3 суток и озонированием дозой 0,8 мг/л летом и 1,5 мг/л - зимой. Это приводит
к частичной деструкщ1и растворенной в воде органики, и ускоряется ее биоразлагае-
мость. Даже малое время пребывания речной воды в водохранилищах обеспечивает
очистку по мутности на 50...60 %, аммонийному азоту на 60 %, перманганатной окис-
ляемости на 40 %, количеству патогенных бактерий на 90 %.
Недостатком наливных водохранилищ является необходимость больших площадей
под их строительство, а также затруднения в организации защиты воды в них от
загрязнений воды воздухом, при аварийных выбросах загрязненного воздуха. Сложно
создание водохранилищ в густо населенных промышленно развитых районах.
В зависимости от соотношения расчетных расходов воды в водотоке (реке, канале)
и воды, отбираемой в наливные водоемы (водохранилища), а также суточного отбора
воды из водоемов водозаборные сооружения могут быть приплотинными и отдельно
расположенными на берегах водохранилищ.
При благоприятных климатических условиях и соблюдении экологической
безопасности длительное пребывание речной воды в водохранилищах даже без применения
реагентов радикально улучшает ее качество. Например, значительное снижение
содержания ионов аммония, при его наличии в исходной воде до 3...4 мг/л. Это
обеспечивается прохождением в водохранилищах процессов биологической нитрификации и
окислением ионов аммония до нитратов (табл. 12).
Таблица 12.6
Улучшение качества речной воды после каскада водохранилищ Биесбош, г. Роттердама
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
Показатели
качества воды
Аммоний
Свинец
Кадмий
Нефтепродукты
Кишечные бактерии
Взвешенные вещества
Железо обшее
Марганец
Цинк
Свинец
Азот аммония
Азот нитратов
Азот нитритов
Фосфор общий
ХПК
Окисляемость
Углеводороды
СПАВ
Общий счет бактерий
(ед/мл)
Концентрация макс/средн.,
мг/л
в исходной
речной воде
2,9/1,07
0,061/0.011
0,004/0,001
0,72/0,105
-
/13.7
/0,67
/0,12
/0.095
/0.008
/0,47
/3.5
/0.1
/0.33
/14
/14
/0.06
/0.06
/1200
в воде из
водохранилищ
0.5/0.2
0.0031/0.0012
0,00047/0.0002
0.045/0.02
-
/2.6
/0,01
/0,01
/0,009
/0,001
/0,06
/3,3
/о,м
/0,15
/9
п
/0,01
/о,м
/29
Улучшение
качества воды,
макс/средн.,
%
83/82
95/90
90/50
94/50
-/99,8
81
98.5
92
90
88
87
6
60
55
36
50
84
33
97,5
Повышенное содержание ионов аммония делает питьевую воду биологически
нестабильной, что приводит, на ее хлорирование, к развитию процессов биологической
нитрификации в разводящей сети, появлению в ней биообрастаний и коррозии труб, и
неприятных запахов и привкусов.
114

За время пребывания в водохранилищах происходит также значительное удаление
из воды нерастворимых осадков свинца, кадмия, же леза и марганца. Отмечается
удаление из воды взвешенных веществ, меди, ртути и хрома, 5... 10 кратное снижение
концентрации нефтепродуктов, почти полное (99,8 %) удаление фекальных коли-бакгерий,
98 % снижение общего бактериального загрязнения и 40.. .50 % снижение ООУ по ХПК
и окисляемости. Как показывают газо-хромато-графические массо-спектро-метричес-
кие анализы, пребывание воды в водохранилищах значительно уменьшает ее
микрозагрязнение различными группами органических веществ естественного и синтетического
происхождения. По-видимому, это происходит в результате протекания процессов
испарения (летучих), адсорбции и соосаждения, а также биоразложения.
Рнс. 12.14. Водозаборно-регулирующнн
комплекс на р. Ингулец:
1 - головной водозабо; 2 - магистральный
канал; 3 - водозабор из магистрального канала;
4 - водохранилище сезонного наполнения;
5 - водозабор системы водоснабжения
Достигаемое в водохранилищах довольно глубокое удаление большинства из
находившихся в воде синтетических органических веществ (многие из которых образуют
при хлорировании воды хлорорганические вещества и другие токсичные соедннення),
аммонийного азота, существенно облегчает и удешевляет последующую очистку воды,
сокращает расход реагентов на получение высококачественной питьевой воды.
Нередко небольшие по объему (до 0,05-0,1 км^) наливные водоемы и
водохранилища являются звеном единого водохозяйственного комплекса, в которые помимо
водоемов входят участки рек, магистральные оросительные каналы и водоводы. Пример
такого комплекса на р. Ингулец приведен на рис. 12.14. Водохранилище сезонного
регулирования заполняется водой с апреля по ноябрь и предназначен для аккумуляции воды
на период прекращения ее подачи из магистрального канала оросительной системы
(МК ИОС).
Как показали исследования к.т.н. В.М. Нежлукченко, формирование качества воды
канала зависит, в первую очередь, от гидрохимического режима и водного баланса
источника — донора (р. Ингулец) и гидрологического режима МК ИОС, по которому
вода транспортируется в водохранилище. Гидрологический режим р. Ингулец оказывает
влияние на изменение состава хлоридов и другие качественные показатели
химического состава воды. При увеличении расхода в реке качество воды, поступающей в
аванкамеру насосной станции улучшалось. Формирование качества воды
водоисточника-донора является случайным процессом, обусловленным неучтенными факторами (климат,
гидрогеология, неорганизованное поступление высокоминерализованных сточных вод
115

Кривбасса и др.). Качество воды в подводящем к водохранилищу воду канале
улучшается при увеличении расходов воды в магистральном оросительном канале и снижении
хлоридов в р. Ингулец. Следовательно, изменением режима работы головной насосной
станции иа реке можно регулировать качество воды, поступающей в водохранилище.
Специфичны водозаборно-очистные сооружения из предгорных и горных рек. В
зависимости от уклона русел скорость движения воды в них изменяется в пределах
0,5...3 м/с в межень до 5...6 м/с в паводки. Колебания уровней и расходов воды в горных
реках не только по сезонам года, но и в течение одних суток значительно зависят от
условий питания рек. В отличие от равнинных, горные реки характеризуются
неустойчивым большим твердым стоком в виде наносов (дониых и взвешенных). Их
концентрации в воде могут достигать 50... 3000 т/км^. Опасность представляет собой образование
шуги (до 10... 15% от расхода воды по руслу реки). Период непрерывного шугохода
обычно составляет 5...6 суток. На ряде рек Кавказа период шугохода достигает 30... 60
суток в году. Для бассейнов рек Средней Азии и Кавказа следует учитывать
периодическое образование селевых потоков длительностью до 2 ч и более. Поэтому одной из
главных особенностей конструкций водозаборно-очистных устройств на таких реках
является обязательно включение в них сооружений отстаивания воды, в которых
предусматривают возможность промывки их основных блоков в любое время.
12.5. Водозаборно-очистные сооружения и устройства
Для технического, полевого, пастбищного водоснабжения и орошения требуются
значительные количества частично осветленной воды. Подготовка поверхностных вод
для этих целей на традиционных очистных сооружениях требует существенных
капитальных и эксплуатационных затрат. Сетчатые водоприемники и гидроциклоны не
решают в достаточной мере эффективно задачу осветления воды непосредственно у
водозабора и проблему рыбозащиты.
В 1970...90 гг. под руководством д.т.н. М.ГЖурбы были разработаны и внедрены
сооружения, предназначенные для забора и предварительной очистки поверхностных
вод, в которых широко использованы фильтрующие легкие гранулированные
материалы (рис. 12.15).
К таким сооружениям относятся н оголовки русловых водозаборов, выполненных
в виде железобетонных колодцев, боковые стеики которых имеют по периметру
входные окна. Внутрь короба вставлен каркас из металлических стержней, заполненный
крупными гранулами вспененного полистирола или шуигизита cd^ = 4...8 мм. Вода,
поступающая через водоприемные окна, проходит сначала грубую очистку и только после
этого достигает уровня оси всасывающего патрубка насосного агрегата. Промывка
фильтрующего слоя осуществляется обратным током воды от напорного трубопровода
при выключении насоса. Рекомендуемая интенсивность промывки до 35 л/(с-м2) при
данном гранулометрическом составе позволяет, при конструировании оголовков, не
учитывать дополнительную высоту на расширение фильтрующего слоя при промывке.
Для получения воды более высокого качества оголовок выполняют в виде корпуса,
боковые стенки которого представляют собой фильтрующие кассеты с двумя или тремя
слоями загрузки. Внедрение подобной конструкции было осуществлено на Вологодском
заводе дорожного оборудования. До реконструкции там эксплуатировались сооружения,
116

запроектированные по типовому проекту ТП 901-1-27, производительностью 50 м^/ч,
включающие два русловых затопленных водоприемника в виде металлических цельно-
сваренных воронок, оборудованных рыбозащитными сетками с ячейкой 1x1 мм,
самотечные трубопроводы, береговой железобетонный водоприемный колодец глубиной
12 м, совмещенный с насосной станщ1ей первого подъема.
я) \7 7.тт
■ЯГРГ^
^%^
г)
+-+■
•{-гл".-.
Ли"'-!
4-i-\-\-v
д)
Ш^
■да
\у^ш\
е)
\Га
Й^^'
Щ^^
»> т т т»1
Рнс 12.15. Конструктивные схемы водозаборно-очнстных сооружений с пенополистироль-
ной загрузкой:
а - русловой раструбный фильтрующий оголовок; б - водозабор-фильтр из каналов; в -
трубчатый фильтр; г - насосно-фильтровальный плавающий агрегат; д - улитковый насосно-фнльтро-
вальный агрегат; е - водозаборно-очистное устройство совмещенное с гибкой мягкой плотиной
К специфическим особенностям проектирования водозаборно-очистных
сооружений руслового типа относятся:
- назначение их конструктивных (габаритных) размеров в зависимости от
гидрологических условий, обеспечения требуемых расходов воды и требуемой степени ее
очистки;
- взаимосвязь напорно-расходных характеристик блоков водоочистки,
всасывающих или самотечных трубопроводов и насосов первого подъема;
- учет режимов фильтрования, параметров фильтрующего слоя и определения
продолжительности фильтрования и промывки загрузки;
117

- расчет эжекторных промывных устройств с учетом свойств вспененных гранул
пенополистирола.
Технологическая схема водозабора, включающая водоприемник, колодец и
насосную станцию, выбирается по соответствующей требуемому расходу воды, по
надежности подачи воды, гидрологической харакгеристике водоисточника, особенностям
местных условий строительства сооружений, требований санитарной инспекции и
рыбоохраны, с учетом управления водного транспорта и водоохраны, прогнозируемому
изменению производительности водозабора. С приданием ему дополнительно функций
очистки воды технология водоприема должна предусматривать соблюдение условий
поочередных режимов работы фильтрования и промывки фильтрующих слоев.
Подбор режимов фильтрования, параметров фильтрующего слоя и промывки
загрузки водозаборно-очистных сооружений, конструкция которых приведены на
рис. 12.16, должны осуществляться с соблюдением следующих условий:
- толщина слоя загрузки фильтрующего материала из условия обеспечения
качества очистки воды должна быть не менее 0,5 м;
- при наличии в системе технического водоснабжения береговых очистных
сооружений скорость фильтрования воды в оголовке может достигать 75... 100 м/ч. При
содержании в воде водоема взвешенных веществ до 50 мг/л и производительности
сооружений до 1000 м^/сут, и использовании очищеной воды на технические нужды отпадает
необходимость в устройстве береговых сооружений по осветлению воды. В этом случае
скорость безреагентного фильтрования в водозаборио-очистной фильтрующей
установке принимается в пределах до 1...5 м/ч;
- диаметр самотечного или всасывающего трубопровода D„p определяется по
требуемой производительности каждой секции оголовка и скорости движения воды в
трубах, равной 0,7... 1,0 м/с;
- отметка верхней части сооружения, размещаемого в русле водотока, должна быть
ниже на 0,2 м нижней кромки льда в водоеме при ледоставе.
Фильтрующий слой в конструкции оголовка дает возможность задерживать грубо-
дисперсные взвешенные вещества непосредственно в водоеме. Подача воды от
оголовков к насосам первого подъема осуществляется самотечно-сифонными линиями без
берегового колодца. Зарядка сифонных линий при низких уровнях воды в реке, а также
залив насосов осуществляется эжекторной установкой, включенной в обвязку
трубопроводов насосной станции. Ввиду периодического режима работы насосной станции
первого подъема промывка фильтрующего слоя водозаборно-очистных оголовков
осуществляется обратным током воды через самотечно-сифонные трубопроводы.
Результаты промышленных испытаний руслового водозабора фильтрующего типа
производительностью 50 м^/ч приведены в табл. 12.7 Длительный опыт эксплуатации
показал надежность конструкции. За весь период работы водозабора не наблюдалось
проскока личинок и мальков рыб, что подтвердили исследования, выполненные в
лаборатории ГОСНИОРХ г. Вологды. Внедрение в системах промышленного и
сельскохозяйственного водоснабжения конструкций водозаборно-очистных сооружений
подобного типа для забора из рек позволяет в ~1,3 раза уменьшить «грязевую» нагрузку на
водоочистные сооружения, снизить материальные и энергетические затраты иа удаление
и обработку осадка, образующегося иа первой ступени обработки воды, повысить
эффективность рыбозащиты.
118

Таблица 12.7
Результаты испытаний промышленного водозаборно-очисгного сооружения
Дата

проведения

испытания
1
с 04 04 93
по 15.05.98
Характерные
параметры
фильтрующего слоя
2
ФИЛЬТРУЮЩИЙ
МАТЕРИАЛ-
ВСПЕНЕННЫЙ
ПОЛИСТИТОЛ МАРКИ
пев
Диаметр гранул
d^ = 4...6 мм
Скорость фильтрования
У^f = 50...60 м/ч
Толщина слоя L ~ 0,3 м
Продолжительность фильт-
роцикла - 48 ч
Потерн напора
за фильтроцикл ~ 0,1 ...0,2 м
Наличие мальков и рыб в
осветленной воде - не
обнаружены

Мутность
речной
воды.
мг/л
3
50-70

(паводки)
Мутность
освет-лениой
воды.
4
20-30
Эффект
очистки.
%
5
60-57
Крупность
наносов, мм
речной
воды
6
0.30-0,8

осветленной
воды
7
0 05-
0,01
Для оценки технологических свойств и области применения фильтрующей
обсыпки из дробленого пенопласта были проверены ее испытания в процессе осветления
природных вод р. Днестр (табл. 12.9). Безреагентное фильтрование речной воды с удельной
производительностью до 15 м^/м^ площади фильтра позволяет получить эффект
осветления более 50 % при незначительном приросте потерь напора за фильтроцикл (до
0,3...0,5 м). Промывка загрузки в оголовке осуществляется в таких конструкциях
обратным током осветленной воды от напорного трубопровода с интенсивностью промывки
до 30-40 л/с.м^ в течение 2-3 минут.
Таблица 12.9
Результаты испытаний процессов осветления речной воды в фильтрующей загрузке из отходов
пенопласта
Крупность гранул
фильтрующей
загрузки, мм
2...5
2...5
Скорость
фильтрования.
м/ч
10
25
Взвешенные
вещества
в исходной
воде, мг/дм'
80... 100
J0...M0
Прирост
потерь напора,
см/ч
10...15
15...30
Эффективность
осветления воды. %
61...67
45...60
Фильтрующий оголовок с эжекционной промывкой загрузки, осуществляемой
непосредственно в корпусе фильтра, показан на рис. 12.6.
При наличии в воде взвешенных веществ (кора, листья, травы, песок и др. с
размером частиц 100 мкм) расчетная скорость фильтрования через плавающую загрузку
может достигать 30 м/ч при содержании взвешенных веществ (грубодисперсных) до
ЗР0...500 мг/л. Эффект удаления таких примесей 35...70 %. Минимальная толщина
фильтрующего слоя с диаметром гранул - 2...4 мм составляет 50...60 см. Радиальные
119

оголовки-фильтры могут размещаться в руслах южных рек и обеспечивать глубокую
очистку воды безреагентным методом. При этом назначаются: высота фильтрующего
слоя 0,7... 1,2 м, толщина рабочего слоя не менее 0,4 м, средняя скорость фильтрования
- до 3 мУч, концентрация взвешенных веществ - не более 500 мг/л.
Рнс 12.16. Русловой
фильтрующий оголовок с эжекциоииой
промывкой:
1- корпус; 2 - пенополистироль-
иая обсыпка; 3 - всасывающий
трубопровод насоса; 4 - насос;
5 - трубопровод подачи воды на
эжектор; 6 - кожух; 7 - эжектор с
центральной трубой
щт
/'/^«г/л<^А/^
JiS.
При использовании радиальных фильт- —^
ров (рис. 12.17) в качестве водозаборных
сооружений в системах промышленного и
коммунального водоснабжения
гранулометрический состав фильтрующей загрузки
может быть принят аналогично грансоставу
загрузки для обычных фильтрующих
оголовков. При этом полезная
производительность сооружения возрастает
пропорционально площади радиального
фильтрования. При промывке фильтрующих
оголовков обратным током воды необходима
интенсивность промывки 20...25 л/см^ в
течение 5 минут; относительное расширение
загрузки- 10... 15%.
Водозаборно-очистное устройство
радиального типа состоит из корпуса 1,
заполненного плавающей фильтрующей
загрузкой 2. Водоприемная часть устройства,
перекрытая козырьком 3 и сеткой 4,
располагается в верхней части корпуса 1 и
выполнена в виде наклонного элипсоидального раструба 5, переходящего в центральную
дренажную камеру 6. Раструб 5 и центральная дренажная (распределительная) камера 6
заполнены псевдоожиженным слоем 7 из легких прочных гранул, имеющих плотность
120
Рис. 12.17. Устройство для забора воды
радиального типа

меньше плотности воды (например, полувспененный пенополистирол). Наличие непре-
рыно движущегося гранулированного слоя 7 способствует отпугиванию рыб от
водоприемной камеры и предотвращет кольматацию сетки 4 и внутренней боковой
поверхности дренажной камеры 6. Нижняя часть камеры перекрыта сеткой 16 и выведена за
пределы слоя фильтрующей загрузки 2. Сбор осветленной воды осуществляется
посредством периферийной дренажной системы 8 в водоприемный карман 9. Отвод
осветленной воды производится трубопроводом 10. Для регенерации фильтрующей зафузки
предназначены эжекторные устройства И, на внутренней поверхности трубопроводов
которых расположены битеры для обеспечения соударений гранул между собой и
оттирания загрязнений с поверхности зерен фильтрующего материала. Вода для
функционирования эжекторных устройств 11 подается по трубопроводам 12 от насосной станции
первого подъема. Для предотвращения образования застойных, нерегенерируемых зон
фильтрующей загрузки 2, а также для возможности очистки поверхности периферийной
дренажной системы 8 эжекторные устройства 11 размещены внутри фильтрующего
слоя на расстоянии от центральной вертикальной оси, равном 2/3 радиуса устройства. В
нижней части корпуса 1 в открытом перфорированном патрубке 13 размещены полый
клапан 14, свободно перемещающийся между верхним и нижним фиксаторами, и
отбойные щиты 15 для отражения и изменения траектории всплытия отмытых гранул
фильтрующей загрузки 2. Козырек 3 служит для предотвращения загрязнений сетки 4 сором
и грубыми взвешенными веществами, создания повышенных скоростей в зоне водопри-
ема и защиты устройства от плавающих предметов.
При эжекционной промывке соотношение расходов рабочей жидкости и
гранульной загрузки с водой составляет 1:1 1,5, отношение площадей эжекторного устройства
к поперечному сечению фильтровального аппарата - 0,2...0,5; оптимальное время
промывки рекомендуется - 3 минут. Диаметр трубы центральной дренажной системы £>ф.,,
определяется из условий витания в ней гранул фильтрующего материала так, чтобы
фильтрующий слой находился во взвешенном состоянии (кипящий слой).
Диаметр корпуса установки D^p„ определяется по формуле:
D =1L +Д A2.54)
корп загр ор.ц
где L.j^^ - величина слоя загрузки фильтрующего материала, м; D^^ - диаметр
центральной дренажной системы, м.
Высота защитного слоя загрузки L, равная расстоянию, от нижней части
периферийного дренажа до нижней кромки фильтрующего слоя определяется из условий
предотвращения попадания осадка и неосветленной воды из нижней части сооружения. В
схеме с самотечным трубопроводом отвода осветленной воды L = 0,3...0,5 м. При
отсутствии берегового колодца и присоединения насосных агрегатов непосредственно к во-
дозаборно-очистным сооружениям высота слоя L должна определяться из условий, что
величина вакуума Я^^ создаваемого насосами в периферийной дренажной системе не
превышает величины суммы потерь напора в защитном слое:
h^<h, h = Vh^+Vh^_^_ A2.55)
Количество эжекторных установок принимают из условия обеспечения
надежности промывки фильтрующей загрузки при соблюдении соотношения:
121

/эж/Рзагр= 0.2..Д5.
A2.56)
Объем эжектируемой загрузки W„ определяется по геометрическим размерам
сооружения. Время замены загрузки определяется содержанием взвешенных веществ в
воде, скоростью фильтрования и потерями напора в фильтрующем слое, которые
превышают начальные на 10 % (из требования нормальных условий работы насосов). С
учетом плотности фильтрующей загрузки р„ = 120...200 кг/м^ массовый расход
перекачиваемого твердого тела определяется формулой:
К
G„=—^Р,,кг/с. A2.57)
Давление, создаваемое эжектором, необходимо для транспортирования зафузки из
верхней части сооружения в нижнюю. Скорость движения воды с твердым телом
должна быть больше скорости витания гранул и обеспечкгь преодоление гидростатического
давления воды в водоеме. Расчет промывного блока можно производить по методике
предложенной Е.Я.Соколовым, Н.М.Зингерс»1 с учетом физических свойств пенополи-
стирола.
Поверхностные воды для групповых водопроводов Ставрополья, Средней Азии,
Азербайджана, Ростовской обл., Кубани и других южных регионов СНГ превышают
60 % всего водоотбора. Большая часть поверхностных вод здесь отличается высоким
содержанием взвешенных частиц - от 1,5 до 20 г/л. Такие воды обычно очищают по
трехступенчатой схеме в громоздких и дорогостоящих радиальных и горизонтальных
отстойниках и песчаных фильтрах. Строительство и эксплуатация их чрезвычайно
сложны, особенно в отдаленных регионах. Стоимость комплекса водоочистки высока и
составляет 30...40 % общей
стоимости групповых водопроводов.
В 1970...80 гг. в АзНИИ
водных проблем д.т.н. И.С.Бабаев с
коллегами разработали и
внедрили безреагентную технологию
очистки высокомутных вод с
использованием плавучего
водозабора-осветлителя (ПВО). В этой
технологии осветлитель с
наклонными тонкослойными
модулями с плавучей насосной
станцией образует единый комплекс:
плавучий водозабор-осветлитель
(рис. 12.18). ПВО
предварительно осветляет воду
непосредственно в водоисточнике с после-
Рис. 12.18. Водозаборио-очистная установка для дующей ее подачей по водоводам
очистки высокомутных вод: в очистные устройства. ПВО от-
1 - плавучий водозабор-осветлитель; 2 - насос; 3 - воде- личается компактностью, про-
напорная башня; 4 - трубчатый отстойник и фильтр с пла-
^„ \.ci - **^ стотои монтажа и эксплуатации,
ваюшеи загрузкой; 5 - бак чистой промывной воды
122

надежностью в работе; забор bqzim осуществляется с постоянных глубин независимо от
режима и уровня воды в реке.
Осветлитель является одновременно рыбозащитным устройством; защищает
насосные агрегаты от абразивного действия песчаных частиц, значительно повьшгая тем
самым срок их службы. Преимуществом ПВО является исключение накопления осадка
благодаря непрерывному рассеянию осевшей взвеси течением потока. Наносы не
скапливаются на дне под осветлителем, позволяя полностью отказаться от сооружений для
обработки и утилизации осадка после предварительного осветления воды, сократить
расход воды на собственные нужды, увеличив за счет этого подачу ее потребителям.
Одновременно исключается отвод сельскохозяйственных земель под очистные
сооружения, повьпвается производительность труда.
Производственные испытания ПВО в период весенних паводков р. Куры показали
достаточно высокую его эффективность при удельной производительносга
превышающей производительность широко применяемых радиальных и горизонтальных
отстойников в 5-6 раз. При удельной нагрузке 20...30 м^/ч-м^, содержании взвешенных частиц
в исходной воде Q = 1782...7356 мг/л и в осветленной - Сд^в ~ 1022...3960 мг/л, эффект
осветления изменялся в пределах от 43 до 56 %. Гидравлическая крупность частиц,
задерживаемых осветлителем, составляла 0,12...0,15 мм/с. Основным технологическим
узлом установки является тонкосл(жный отстойник системы АзНИИВП-2.
Его испытания в пик паводка показали, что расход воды на удаление осадка из
осадочной части устройства не превышает 0,5... 1,5 % от производительности установки.
Удельная нагрузка на 1 м^ площади отстойника АзНИИВП-2 составляет 10... 12 мЩ.
Эффект осветления достигал 99,4...99,96 % при исходном содержании взвешенных
веществ 2...3,8 г/л.
Глубокая очистка воды достигается в завершающем технологическом узле
установки - скорых фильтрах с фильтрующей загрузкой из клиноптилолита. Современные
требования охраны окружающей среды и необходимость снижения эксплуатационных
затрат стимулировали создание безреагентной технологии водозабора и очистки,
основанной на использовании плавучего водозабора-осветлителя и береговой установки в виде
разработанных нами ранее модернизированных фильтров с плавающей загрузкой ФПЗ-
2, размещаемых в стволе водонапорной башни. Вариант компоновки таких установок
показаны на рис. 12.18.
Дальнейшее развитие этого направления привело к созданию компактной плавучей
водоочистной установки «Плот-фильтр» для получения воды питьевого качества
непосредственно в месте забора ее. В основу теоретических предпосылок создания таких
установок легли закономерности процессов осаждения взвеси, содержащейся в
высокомутных водах рек южных регионов и процессов осветления воды в плавающем
фильтрующем слое. Конструкция плащ'чей водозаборно-очистной установки «Плот-фильтр»
показана на рис. 12.19. При включении насоса 2 вода из водоема через открытую
донную часть и перегородки 3 равномерно поступает во входные отверстия наклонных
элементов осветлителя 4, в которых осаждаются грубодисперсные частицы взвеси.
Предварительно осветленная вода Ноступает в подфильтровое пространство плавающей
загрузки, где происходит укрупнение мелкодисперсных частиц взвеси, фильтруется снизу
вверх через загрузку 5 из вспененного полистирола, где и осуществляется ее
окончательная очистка. Очищенная вода через щелевую насадку равномерно поступает в
водосборные желоба 6, и в канал 1, откуда по трубопроводам 7 и 8 отводится на берег, для
123

ее обеззараживания и подачи потребителям. Осаждающиеся на стенках наклонных
тонкослойных элементов осветлителя 7 взвешенные вещества непрерывно сползают в
водоток и уносятся потоком. Заиленная загрузка 5 промывается через коллектор с
ответвлениями и патрубками. Вода на промывку подается из берегового резервуара чистой
воды.
Движущаяся вниз вода расширяет плавающую загрузку 5, зерна ее интенсивно
трутся между собой и об стенки фильтра. После окончания промывки и отвода
промывной воды технологический цикл повторяется.
Камеры фильтра создают открытую (безнапорную) водоотводящую систему
равномерного отвода осветленной воды в водосборные желоба, образованные смежными
камерами в верхней части. Поскольку камеры в нижней части сообщаются через сквозные
прорези, между выходными отверстиями наклонных элементов тонкослойных модулей
фильтрующей плавающей загрузки образуется свободный объем воды, работающий как
зона интенсификации процесса при укрупнении мелкодисперсных частиц взвешенных
веществ. Это способствует максимальному использованию рабочего объема устройства.
Каждая пара камер фильтра и тонкослойный модуль под ними образуют
конструктивный элемент, где осуществимы все технологические процессы - от забора до отвода
очищенной воды. Для предотвращения повторного загрязнения воды зеркало
осветленной воды изолируется остекленными перегородками.
Рис. 12.19. Плавучая
водоочистная установка «Плот-фильтр»
Производственные испытания установки были выполнены к.т.н. Э.С.Ганбаровым
на воде канала, питающегося из р. Араке, В период испытаний температура воды была
15...19''С, концентрация взвешенных веществ - 400...4270 мг/л, жесткость
6,5...7,5 мг-экв/л. Установка оборудовалась тонкослойными модулями из
полиэтиленовых трубок диаметром 50 мм и длиной до 3,0 м. Высота слоя пенополистирольной
загрузки составляла 0,3 м при эквивалентном диаметре гранул 1,2 мм и коэффициенте
неоднородности загрузки 2,8. Производительность установки при удельной
гидравлической нагрузке 2,5 м^/чм^ составила 180 м^сут. Результаты испытаний приведены в
табл. 12.10 и на рис. 12.20 и 12.21. Как видно из табл. 12.10, содержание взвешенных
веществ в осветленной воде в производственных условиях, пракгически близки к
расчетным, определенным по зависимости, полученной при изучении закономерностей
процесса осветления воды на модельной установке.
Результаты производственных испытаний установки «Плот-фильтр» при
содержании в исходной воде канала до 4270 мг/л взвешенных веществ, показали надежность и
устойчивость технологического процесса очистки воды. Остаточное содержание
взвешенных веществ в осветленной воде после доочистки фильтрованием на береговой ус-
124

тановке с загрузкой из клииоптилолита находилось в пределах 1,0... 1,5 мг/л, что
отвечает требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01.
Испытания плавучей водоочистной установки в системе сельскохозяйственного
водоснабжения показали ее простоту в эксплуатации. При этом упрощается эксплуатация
всего комплекса водоочистной станции; отпадает необходимость обработки и
утилизации осадка.
Таблица 12.10
Х»п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
т.
°С
19
19
18
17
16
16
15
15
Результаты производственных испытаний установки '
С
мг/л
400...450
530...600
2700...2800
3050...3130
4100...4270
3470...3530
2400...2510
1520...1600
Сосв, мг/л
12... 15
17...20
35...38
40...42
90...93
45...50
26...30
18...22
э,
%
97,0
96,8
98,7
98,7
97,8
98,7
98,9
98,8
t.
час
28
28
36
36
32
32
22
22
С
расчетное, мг/л
8,5
9,5
42,5
48,0
98,7
57,3
24,0
12,0
Плот-фильтр"
■^расч»
%
98,1
98,4
98,5
98,5
96,7
98,4
99,0
99,2
Среднее
отклонение 5, %
1,12
1,03
0,20
0,20
0,10
0,30
0,10
0,40
0.01
О008
0.008
^
<''
о у
^ 5
) 1^^
Х^ <
о
0.02
^^^-
10
20
30
50
Рис. 12.20. Зависимость
эффективности осветления воды от
технологических параметров
работы установки
Рис. 12.21. График прироста потерь напора
в загрузке фильтра во времени:
1. при Сд = 160 мг/л; Сорв= 1,5 мг/л; и= 0,4 м/ч;
X =70 см; (/э^д = 0,6мм;
2. при СдХ =140 мг/л; С^^^ = 1,5 мг/л; и = 0,45 м/ч;
= 65 см; d^^g = 0,6 ММ;
3. при СдЛ" = 260 мг/л; С^^.^ = 1,5 мг/л; и = 0,7 м/ч;
= 70 см; dg^j = 0,6 ММ;
4. приС^;? =450 мг/л; С^^.^ = 30,0 мг/л; и = 2,2 м/ч;
= 65 см; ■> = " ° ■—
Описанные выше сооружения не исключают необходимости строительства на
берету специального резервуара чистой воды и устройств для ее обеззараживания и
хранения. Расширение функций водозаборно-очистного сооружения и упрощение его
эксплуатации достигается устройством дополнительно напорного резервуара чистой воды,
размещенного между водоподъемной трубой насоса и водоводом. Внутри резервуара
смонтирована бактерицидная установка для обеззараживания воды, а на его наружной
боковой поверхности - блок автомагического управления электронасосом и
бактерицидной установкой (рис. 12.22).
125

Конструктивно такой комплекс
состоит из тонкослойного
отстойника 1, фильтра с плавающей загрузкой
2, приемной камерой фильтрата 3,
погружного электронасоса 4,
понтонной платформы 5, напорного
резервуара чистой воды 6 с размещенной
внутри него блоком бактерицидных
ламп 7, автоматической станции
управления 8, напорного водовода 9,
подключенного тс съемной крышке
резервуара 10, водоразводящей сети
и водонапорной башни. По сигналу
от реле времени станции управления
8 включаете» насос 4, который,
забирая воду из камеры 3, обеспечивает
принудительное прохождение воды
из водоисточника сначала через
сетку 11, тонкослойный отстойник 1, а
затем фильтр 2. Очищенная вода че-
Рис. 12.22. Водозаборио-очистиой комплекс с той- рез перфорированную поверхность
кослойиым отстойником, ФПЗ, РЧВ и бактерн- 12 верхней части камеры 3 собирает-
цидной установкой ^^ внутри нее.
При работе насоса преодолевается сопротивление в сетке, отстойнике и
водоподъемной трубе. Подаваемая насосом очищенная вода поступает в резервуар 6, где
подвергается обеззараживанию бактерицидными лампами 7, а затем по водоводу 9 и
разводящей сети подается водонотребителям. Резервуар 6 рассчитан как регулирующий и
запасной для выравнивания неравномерности водопотребления и водоподачи. По
окончании фильтроцикла с заданной продолжительностью, реле станции управления 8 подает
команду на одновременное отключение электронасоса и бактерицидных ламп на 5...6
минут. После этого, за счет превышения давления воды внутри напорного резервуара
над атмосферным, вода из сети и резервуара обратным током поступает в камеру 3, а
оттуда через отверстия 12 - в верхнюю часть фильтра 2. Устремляясь CBcpj^f вниз, чистая
вода расширят плавающую загрузку, одновременно вымывая загрязнения из загрузки,
отстойника и сетки в водоток. По окончании промывки с заданной
продолжительностью реле времени станции 8 дает команду на включение электронасоса и
бактерицидных ламп. Цикл забора, очистки, обеззараживания и подачи воды потребителям
повторяется. На период отключения насоса вода поступает из водонапорной башни.
Анализ известных и выше описанных сооружений показывает, что при внедрении
последних расширяются их функции, сокращаются затраты на строительство и монтаж
резервуара чистой воды на берегу, повышается компактность, технологичность
монтажа, сокращаются соединительные трубопроводы обвязки, отпадает необходимость
строительства сооружений по сбору и очистке промывных вод и утилизации осадков
водоочистки на берегу, сокращается численность эксплуатационного персонала, работа
сооружения полностью автоматизирована. Повышается надежность рыбозащиты.
126

Дальнейшее расширение функциональных возможностей водозаборно-очистных
узлов развивается путем создания в них дц%- и трехсоупенчатых схем водоочистки.
Первой ступенью при маломутных цветных водах в ряде случаев целесообразно
использовать напорную флотацию, основанную на том, что часть веды, в которой под
давлением 0,6...0,8 МПа растворен атмосферный воздух, подают через дырчатую или
пористую систему в обрабатываемую воду. Попадая в зону меньшего давления,
растворенный воздух выделяется в виде большого количества мелких пузырьков, захватывающих
и транспортирующих на поверхность легкие взвеси, коллоидные и мелкодисперсные
примеси.
Применение напорной флотации в водозаборном узле, по сравнению с
традиционным использованием этого метода на станциях водоподготовки, дает ряд преимуществ:
1. Водозаборный узел приобретает надежные рыбозащитные свойства не только по
отношению к молоди, но и к малькам рыб, что в сочетании флотации с
последующим фильтрованием соответствует наиболее совершенным рыбозашитным
устройствам - комплексным, ибо обеспечиваются функции и поведенческих, и
физических рыбозащитных сооружений. Даже в водохранилищах и озерах отпадает
необходимость установки рыбозащитных устройств.
2. Полный цикл флотационной обработки значительно упрощается; отпадает
необходимость устройств сбора и утилизации пены.
3. Зимой облегчается борьба со льдообразованием, поскольку пузырьки воздуха,
забираемого из теплого помещения, всегда имеют положительную температуру.
Двухступенчатая флотационно-фильтрационная очистка в водозаборном узле
может быть так же эффективна, как и на стационарных береговых водоочистных
сооружениях.
Следует учитывать особенности проектирования флотационных камер и зон в
русле водотоков. Поскольку движение исходной воды осуществляется там сверху вниз,то
скорость движения воды вниз должна быть меньше скорости восходящего движения
пузырьков воздуха, которая в свою очередь зависит от их размеров.
12.6. Ме^дленные фильтры
Основным техническим процессом глубокого безреагентного осветления
природных поверхностных вод является их медленное (v = 0,1-0,3 м/ч) фильтрование через
мелкозернистый песок.
При таком режиме работы сооружения пракгически все взвешенные коллоидные
частицы примесей и даже бактерии задерживаются в 2-3-сантиметровом
поверхностном слое, преобразующемся со временем в биологически активную фильтрующую
среду. С продолжительностью фильтрования в этой среде развиваются биологические и
химические процессы, благодаря которым эффект очистки постепенно повышается.
Этот процесс словно называется «созреванием» медленного фильтра. Период его
продолжительности обычно достигает одного часа. До «созревания» фильтра коллоиды
и бакгерии не полностью задерживаются в верхнем слое загрузки. Бактерицидное
«созревание» фильтра зависит от физико-химических свойств воды и длится обычно от
3 до 36 ч. Протекает процесс до тех пор, пока количество бактерий в фильтре не
уменьшится до 100 колоний на 1 мл воды. В период «созревания» медленного фильтра
фильтрат сбрасывают в канализацию до тех пор, пока не будет соответствовать требованиям
ГОСТ 2874—82. Вода питьевая. После этого воду начинают подавать потребителям. Пе-
127

риод полезной работы фильтра продолжается до времени исчерпания располагаемого
напора (обычно он достигает 15-30 суток, иногда более). После этого фильтр
останавливают и приступают к регенерации верхних слоев загрузки, снимая
2-3-сантиметровый слой или взрыхляя его с одновременной подачей воды на поверхность фильтра для
смыва загрязнений в канализационный коллектор.
На рис. 12.23 представлены план и поперечный разрез станции с обычными
медленными фильтрами. Вода, подлежащая очистке, поступает от насосов I подъема или
самотеком (в зависимости от высотной взаимоувязки сооружений) по трубопроводам на
каждую из четырех секций, представляющих собой бетонные или железобетонные
резервуары глубиной до 3-4 м, круглые или прямоугольные в плане. На дне резервуаров
смонтирован дренаж малого сопротивления из дьфчатых труб или коробов, поверх
которых насыпают поддерживающий слой гравия или щебня толщиной 0,35 м с
диаметром зерен от 2 до 32 мм. Выше поддерживающего слоя размещают загрузку из песка с
диаметром зерен 0,3-2,0 м на высоту до 1,2 м.
,L
VI ■ I' I' I' I
Рис 1222. Станция с м«ялеянымн песчаными фильтрами:
1 - фильтры; 2 - регуляторы скорости фильтрования; 3 - подача исходной воды; 4 - отвод
фильтрата; 5 - желоба; 6 - камера управления; 7 - резервуар чистой воды; 8 - дренаж; 9 -
вентиляционный стояк
128

Постепенно проходя через мелкозернистую загрузку, вода очищается и с
помощью дренажной системы собирается и отводится в РЧВ. Резервуары чистой воды могут
располагаться и отдельно от фильтров, на определенном расстоянии C0-50 м) от них.
Для обеспечения нормального режима фильтрования слой воды над поверхностью
загрузки должен быть не менее 1,2-1,5 м. Кроме осветления воды медленные фильтры
снижают на 20-25% ее цветность и задерживают до 95-98% бактерий.
Регенерацию загрузки таких фильтров производят в следующей
последовательности: опускают уровень воды на 25-30 см ниже поверхности песка и специальными
лопатами снимают 2-1-сантиметровый слой песка. Загрязнения из фильтра удаляют, песок
разравнивают, а затем, постепенно подавая воду снизу вверх через дренаж, заполняют
фильтр и обеззараживают.
Сумму всех последовательных операций (созревания, полезного периода
фильтрования и регенерации называют фильтроциклом медленного фильтра. С каждым
новым фильтроциклом грязеемкость фильтра, измеряемая отношением количества
задержанных за период полезной работы фильтра загрязнений к единице площади (или
объема загрузки) фильтра, уменьшается. В связи с этим через 15-20 фильтроциклов
продолжительностью по 7-25 сут. каждый необходимо проводить полную очистку
песка или замену его чистым.
Небольшие допустимые значения по мутности холодной воды (до 50 мг/л) и
цветности (до 50 градусов платино-кобальтовой шкалы), а также весьма существенная
трудоемкость процесса регенерации загрузки ограничивают широкое применение таких
фильтров на практике. Исключить эти недостатки позволили разработанные под
руководством B.C. Оводова в Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте
(НИМИ) автоматизированные медленные фильтры, в которых регенерация загрузки
осуществляется путем смыва поверхностных загрязнений горизонтальным потоком
промывной воды. Дальнейшим шагом интенсификации процесса безреагентного
осветления воды для питьевых целей стала разработка и внедрение в практику НИМИ ЮЖ-
Гипроводхозом и ЮЖНИИГиМом медленного фильтра с гидравлическим смывом и
одновременным механическим и гидравлическим разрыхлением верхнего
15-сантиметрового слоя загрузки. Такой технологический прием позволил повысить диапазон по
допустимой исходной воде до 0,7-1,0 г/л при условии обеспечения качества питьевой
воды.
Принцип действия такого фильтра следующий. Исходная вода (рис. 12.24)
насосами A,2) подается в камеру E), фильтруется через слой мелкозернистого песка (9)
толщиной 0,4-0,5 м с диаметром зерен 0,15-0,50 мм, дренируется через пористобетонные
плиты, собирается по трубе A2) в регулятор G) и отводится в резервуар чистой воды (8).
Дно корпуса фильтра сооружается с наклоном к сборному коллектору чистой воды A2).
Скорость фильтрования поддерживается с помощью регулятора G).
Слой воды над песком в период фильтрования 1,2-1,5 м. При достижении потерь
напора на фильтре 1,5 м открывают задвижку на трубопроводе A1), одновременно
включая в работу рыхлитель D), который перемещается от камеры E) к карману A0).
При этом разрыхляется пленка и верхний 10-15-сантиметровый слой загрузки с
помощью насадок, по которым под давлением подается вода.
Загрязнения выносятся промывным потоком по трубе A1) в канализацию.
Задвижками на трубопроводах A3) и A1) регулируют промывной поток, предварительно снизив
уровень воды над загрузкой. Смыв загрязнений с поверхности фильтра осуществляется в
течение 15-20 мин. После окончания регенерации закрывают задвижку на трубопро-
5-9858 129

воде A1) и отключают рыхлитель. Корпус фильтра заполняют водой до расчетного
горизонта, открывают задвижку на трубопроводе отвода фильтрата A2) и после
«созревания» загрузки — на трубопроводе, отводящем воду в РЧВ.
Рнс. 12.24. Медленный фильтр с механическим рыхлителем и системой горизонтального
смыва загрязнений горизонтальным потоком воды:
1 - насос для подачи воды на очистку; 2 - насос для подачи промывной воды; 3 - лебедка;
4 - рыхлитель загрузки; 5 - камера «сырой» воды; 6 - пьезометр; 7 - регулятор скорости
фильтрования; 8 - резер^ар чистой воды; 9 - загрузка из мелмозериистого песка; 10 - карман чистой
воды; 11 - трубопровод отвода промывной воды и загрязнений; 12 - отвод фильтрата; 13 -
подача воды на промывку
Количество загрязнений, задержанных 1 м^ фильтра, определяют по формуле:
r = M,(^,t,tv„t„)K2/M\
A2.58)
где Vq, v„ — соответственно скорость фильтрования и периоды осветленного созревания
и полезной работы фильтра ( v « 0,1-0,3 м/ч); t^, t„ — соответственно периоды
созревания и осветления воды; М^ — мутность сырой воды.
Потери напора в пленке, образующейся на поверхности загрузки (н/м^),
определяют из вьфажения:
ДР =
A2.59)
3600
где ц — динамический коэффищ1ент вязкости; ф — удельное сопротивление грязевой
пленки.
На объектах сельхозводоснабжения Ставропольского края в последние десять лет
широкое применение находит метод регенерации медленных фильтров с помощью
рыхлителей, которые одновременно с механическим рыхлением поверхностного слоя
осуществляют его промывку водой, подающейся по напорным шлангам, намотанным на
барабан, через отверстия в насадках самого рыхлителя (рис. 12.24).
130

Как показал опыт Ипатовского, Ставропольского и других водопроводов, такой
метод очистки позволяет уменьшить количество воды на регенерацию и снизить
эксплуатационные затраты при одновременном повышении грязевых нагрузок на фильтры по
взвешенным веществам.
С целью дальнейшего снижения стоимости строительства очистных сооружений в
Ставропольском крае инженерами Л.Н. Макаренко и В.М. Костюковичем были
предложены открытые цилиндрические медленные фильтры из сборных железобетонных
блоков и монолитного железобетонного днища с диаметром до 12 м. Промывка загрузки в
них осуществляется с помощью центрального стояка с вертлюгом, обеспечивающим
вращение трубопроводов гидравлического рыхлителя с промывным лотком вокруг
стояка. Вода на промывку подается через центральный стояк по трубе с трубчатыми
насосами, что позволяет производить регенерацию песка в закрытом пространстве лотка
подо льдом и слоем воды. Промывная вода с отмытыми загрязнениями отводится
самотеком в канализацию.
Опыт эксплуатации таких фильтров с 1980 года показал, что при скоростях
фильтрования 0,15-0,3 м/ч вода из Право-Егорлыкского канала с исходной мутностью до
20-40 мг/л и цветностью до 25° ПКШ соответствовала ГОСТ 2874—82 по мутности и
цветности. Управление насосами, арматурой, рыхлителем осуществляется из камеры
управления. После очистки стоимость строительства комплекса очистных
сооружений открьпыми медленными фильтрами общей производительностью 1,1 тыс. MVcyr
оказалась на 10-15% меньше по сравнению с закрытыми прямоугольными
медленными фильтрами. Эксплуатация их проще, надежность гидравлических рыхлителей
выше, так как отсутствуют прорезиненные шланги для подачи воды на рыхлители.
12.7. Установки для объемного безреагентного фильтрования воды
Исследования, выполненные в ЦНИЭП инженерного оборудования и Гипроводхо-
зе СССР, а также опыт последних лет показывают, что в настоящее время и ближайшем
будущем производительность станции водоочистки для небольших населенных
сельских пунктов и предприятий агропромышленного комплекса в большинстве случаев не
превышает 250-500 м^/сут. В таких условиях конструкции очистных сооружений
должны соответствовать требованиям индустриального метода их изготовления, монтажа и
эксплуатации.
Начиная с 1%5 года рядом научно-исследовательских и учебных заведений страны
был разработан, изучен и внедрен в производство технологический процесс осветления
воды, основанный на скором безреагентном фильтровании природных вод через
мелкозернистую и неоднородную загр^ку с предварительной очисткой (или без нее) на
гидроциклонах, акустических и крупнозернистых кварцевых фильтрах.
Суть этого метода состоит в создании необходимых условий, при которых в
процессе фильтрования воды через мелкозернистую кварцевую, керамзитовую (или из
других материалов) загрузку силы адгезии (прилипания), способствующие задержанию
тонкодисперсных и некоторых коллоидных частиц взвеси в толще загрузки, превышали
бы силы гидродинамического отрыва их и вынос в фильтрат. При скором безреагентном
осветлении воды физико-химический состав частиц взвеси, особенно агрегативная и
кинетическая устойчивость последних, а также поверхностные свойства зерен
фильтрующей загрузки имеют значительно большее значение, чем при обычном скором
фильтровании.
5' 131

ff\
Как показывают результаты исследований этого процесса, в зависимости от
качества исходной воды может быть обеспечено требование ГОСТ 2874-82. Вода питьевая по
мутности при крупности загрузки 0,25-0,60 мм, фильтрующего слоя 0,7-2,0 м и
скоростях фильтрования 0,5-3,0 м/ч.
Такие фильтры могут работать как по одноступенчатой, так и по многоступенчатой
схеме.
На рис. 12.25 приведена схема самопромывающегося фильтра простейшей
конструкции для безреагентного осветления воды, разработанного Н.В. Николаевым. Это
цилиндрической формы фильтры с диаметром до 1,0-3,0 м и высотой до 4,0 м, с
совмещенными или вынесенными отдельно резервуарами чистой воды. Они могут быть
открытыми и напорными. Открытые фильтры имеют распределительную систему малого
сопротивления и оборудованы напорно-всасывающей системой сбора и отвода промывной
воды. Напорные фильтры, круглые в плане, имеют распределительную систему малого
сопротивления и оборудованы напорно-всасывающей и сифонно-всасывающей
системами сбора и отвода промывной воды. Принцип их действия следующий.
При подаче исходной воды
насосами I подъема по трубопроводу (I) вода
поступает в корпус камеры A6),
фильтруется через загрузки A4, 13),
собирается в подфильтровой камере A0), из
которой по трубе G) отводится сначала в
резервуар промывной воды E), а затем в
резервуар чистой воды F).
С ростом потерь напора в загрузке
уровень воды в трубе B) возрастает,
обеспечивая постоянную скорость
фильтрования. Достигнув перегиба сифона
B), вода начинает переливаться в его
нисходящую ветвь. Когда она
поднимается на высоту 2,5-3,0 м в нисходящей
ветви, включается зарядное устройство
(8), в сифоне образуется вакуум, приводя
к обратной промывке фильтра водой из
резервуара E). При опорожнении
резервуара промывной воды до уровня
расположения конца трубки C) происходит
>\vA4v/A<.mV^W>XW)i^> срыв вакуума в сифоне B), промывка
заканчивается и повторяется режим
полезного фильтрования.
Фильтры таюго типа
рекомендуются для осветлениия воды с мутностью до
70 мг/л и цветностью до 40 градусов
N_ _
'1
шш
=^
^\
•Ц,
ч
irT*i!t|{i
_—_-у
1 10
Рис. 12.25. Установка для безреагеитиой
очистки воды на самопромываюшемся двухслойном
фильтре конструкции Н.В. Николаева;
1 -3, 8, 9 - подача исходной воды и зарядное
устройство; 4-7 - резервуары промывной огфиль- плагино-кобальтовой шкалы. При боль-
трюваниой воды и трубопроводы их обвязки; '''^и мутности в состав станции включа-
10-12,15-16-элементы фильтра; 13-кварцевый ют префильтр. Напор воды перед пред-
песок; 14 - керамзит варительным фильтром должен быть не
менее 0,25-0,3 МПа. Для загрузки пред-
132

варительных фильтров используются керамзит плотностью 600 кг/м^ с диаметром
зерен 0,8-1,2 мм на высоту 1,0 м и кварцевый песок с диаметром зерен 0,5-0,6 мм на
высоту 0,5 м. В фильтрах тонкой очистки используется двух- или трехслойная загрузка из
дробленого керамзита (Н=1,3 м; d^p — 0,5-0,6 мм) и кварцевого песка (Я = 0,7 м;
dc-p = 0,25-0,4 мм). Оптимальная производительность станций — до 300-500 м^/сут.
Применение в качестве загрузки
префильтров и фильтров тонкой очистки
дробленой горелой породы с различным
гранулометрическим составом,
исследованной A.M. Фоминых с сотрудниками,
позволяет увеличить их грязеемкость и
продолжительность фильтроцикла при
одновременном увеличении грязевой
нагрузки.
По рекомендации проф. Журбы М.Г.
Гипроводхозом СССР был разработан
проект станции безреагентной очистки
поверхностных вод с мутностью до
500 мг/л на основе применения
гидроавтоматических фильтров типа ФПЗ-2
(рис. 12.26). Такие установки могут
эксплуатироваться на открытом воздухе, при
температуре до 30°С. Исходная вода по
трубе A) поступает в регулятор расхода
C), откуда попадает в отстойную зону
установки. Проходя постепенно через пре-
фильтр с крупнозернистой плавающей
загрузкой E), трубчатый полочный
отстойник F) и фильтр тонкой очистки с„.,,,^
„ ^_^ Рнс. 12.26. Фнльтроблок с двухьнруснон плавя-
мелкогранульнои загрузкой (8), вода ос- н,щей загрузкой ФПЗ-2 н блоком тонкослойно-
ветляется до питьевого качества, накап- ^^ отстанвання:
ливается в надфильтровом пространстве i . подача исходной воды; 2 - дренажные удержи-
D) и отводится в резервуар чистой воды, вающие сетки; 3 - распредустройство; 4 - уплот-
По достижении заданных потерь напора ненный корпус фильтроблока; 5 - плавающая за-
в загрузках фильтр выводится на про- грузка; 6 - полочные модули отстойника; 7 - тру-
мывку. бопроводы отвода фильтрата промывной воды.
Накопленная в надфильтровом про- "^Р*=^"« " ™^^''^ «°^" "^ фильтры; 8 - мелкофа-
нульная загоузка
странстве вода устремляется сверху вниз, ■' '^•^
промывает загрузки фильтра тонкой
очистки, трубчатые элементы тонкослойного отстойника, префильтр и отстойную зону до
тех пор, пока уровень воды не опустится до удерживающей сетки B) верхней загрузки.
После этого происходит срыв вакуума в сифоне и начинается новый фильтроцикл.
Фнльтроблок с ФПЗ-2 имеет наружное утепление, может изготавливаться в мастерских
колхозов и совхозов, оборудуется в случае необходимости в монтажной заглубленной
камере электрокоагулятором и установкой для обеззараживания воды.
133

в состав фильтроблоков ФБ-3 и ФБ-4, кроме радиального фильтра второй
ступени, включены предварительный пенополистирольный фильтр и тонкослойный
отстойник кассетного типа, предназначенный для очистки воды с мутностью до 400-600 мг/л
(табл. 12.11).
Таблица 12.11
Технические характеристики фильтроблоков ФБ
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Параметры установок
Полезная
производительность, м'/сут
Мутность исходной воды,
мг/л, не более
Мутность фильтрата, мг/л, не
более
Толщина слоя (м) н диаметр
зерен загрузки префильтра
(мм)
Толщина слоя (м) н диаметр
зерен загрузки (мм) фильтра
доочистки
Напор на входе в установку,
МПа
Потери напора в загрузке,
МПа
Средняя скорость
фильтровання на фильтре
доочистки, м/ч
Вес установки, т
Ориентировочная стоимость
установки, руб.
Значения параметров
ФБ-3-100
100
600
1,5
0,8/1-3
0,5/0,3-0,8
0,25
0,015
2
1,2
1500
ФБ-4-200
200
400
1,5
0,5/0,3-0,8
0,35
0,015
2
1,75
2500
ФБ-4-400
400
400
1.5
0,5/0,3-0,8
0,35
0,015
2
4,5
4500
Таблица 12.12
Основные характеристики фильтров БНФ-НИМИ
№
п/п
1
2
3
4
5
6
Параметры
Диаметр, м
Строительная высота, м
Площадь фильтрования, м''
Толщина слоя загрузки, м
Производительность, м''/сут
Расход промывной воды, м''
на собственные нужды
Значения параметров
1
1,0
2,9
0,785
1,2
25
3
2
1,5
3,3
1,76
1,2
65
7
3
2,0
4,9
3,14
1,5
ПО
13
4
2,6
5.2
5,3
1,5
200
22
5
3.0
5,5
7,0
1,5
260
28
В отличие от блоков ФБ-1 и ФБ-2 блоки ФБ-3 и ФБ-4 эксплуатируются в закрытых
отапливаемых помещениях.
Дальнейшим шагом развития объемного безреагентного фильтрования воды
явились разработка и внедрение в пракгику водоочистки напорных фильтров конструкции
БНФ-НИМИ-2 с фильтрованием воды снизу вверх (рис. 12.27) и неоднородной
кварцевой загрузкой. Они нашли применение более чем на десятках сельхозводопроводов.
134

Принцип их действия следующий. Исходная вода по трубопроводу A), поступает в
фильтр, фильтруется снизу вверх через неоднородную загрузку B) и по трубе D)
поступает в водонапорную башню. После достижения предельных потерь напора в загрузке
открывают задвижку на трубе E) и( клапан F) и закрывают задвижку на трубе A). В
этот момент вода из бака промывной воды G) начинает поступать в нижнюю
дренажную систему фильтра и промывать загруззсу. Грязная промывная вода НО трубе E)
отводится в сток. После прекращения промывки задвижки на трубе E) и клапан F)
закрывают, а первые порции фильтрата после открытия задвижки на трубе A) и
заполнения фильтра с над фильтрового пространства направляют по трубе (8) в бак
промывной воды G).
Рнс. 12.27. Напорный фильтр
Б11Ф-НИМИ-2 (обозначения см.
по тексту)
По данным В.Я. Заводчикова, при толщине загрузки I м с эквивалентным
диаметром зерен 0,25-0,4 мм и коэффициентом неоднородности 3,0 требуемый эффект
очистки может быть достигнут при мутности исходной воды до 1-2 г/л и скоростях
фильтрования до 1,2-1,5 м/ч. Удельная грязеемкость загрузки в этом случае превышает
10-12 кг/м2. Основные характеристики фильтров БНФ-НИМИ представлены в
таблице 12.12.
При необходимости увеличения производительности до 1000 м^/сут. станцию
оборудуют батареей таких фильтров.
Опыт зксплуатацни девяти фильтров БНФ-НИМИ-2 с диаметром каждого 2,5 м,
работающих параллельно и обеспечивающих суточную производительность 3,2 тыс
м^сут., в пос. Урбах Саратовской области показал, что одновременно с осветлением они
снижают на 90% содержание железа в исходной воде, на 15-40% — перманганатную
окисляемость. Годовой экономический эффект от их внедрения составил 30,4 тыс. руб.
Фильтры изготавливает комбинат «Лабинскводстройиндустрия» (г. Лабинск,
Краснодарский край).
Перспективным является применение на системах сельскохозяйственного
водоснабжения метода фильтрования через загрузки с повышенной адгезионной активнос-
135

тью поверхности зерен. Достигают повышения адгезионных сил на границе раздела фаз
в системе «поверхность загрузки-элеетролит-поверхность задерживаемых частиц взве-
сю> путем насыщения поверхности зерен фильтрующего материала молекулярными
группами химических элементов, имеющих знак заряда, противоположный знаку
заряда частиц взвеси в очищаемых водах. По данным Н.В. Оводовой, на фильтрах с
модифицированной поверхностью достигается скорость фильтрования 5-12 м/ч при
удовлетворительной степени очистки. Сотрудниками НИИКВОВ изучалась
возможность обработки поверхности зерен фильтрующего материала катионным полиэлеет-
ролитом и ее влияние на эффективность очистки мутных вод. Как показали
исследования, повторное использование такой загрузки без дополнительной подзарядки
модифицирующим раствором малоэффективно. Перспективным для этого направления
представляется использование искусственных фильтрующих полимерных материалов с
повышенной адгезионной и ионообменной активностью, приобретаемой материалами в
процессе их изготовления в химических реакторах (так называемая внутренняя
модификация).
Технологические процессы полускорого безреагентного фильтрования природных
вод через зернистые загрузки получают все большее распространение в
сельскохозяйственном водоснабжении ввиду их индустриальности и экономичности.
При проектифованин фильтров с зернистой загрузкой, работающих в режиме
объемного фильтрования, их расчет производят аналогично расчету скорых фильтров с
учетом особенностей конструкции и сборно-распределительных систем.
Общую площадь фильтрования (м^) определяют по формуле:
1:рф-г———г~- A2.60)
Т V —п а —ntv
с н пр^пр пр пр и
где Q^„ - полезная производительность станции, мУсут, Т^ — продолжительность
работы станции в сутки, ч; v„ — расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме,
м/ч; п„р — число промывок одного фильтра в сутки; t^ — время простоя фильтра,
связанного с промывкой, ч; q — интенсивность промывки фильтра, л/с м^.
Количество фильтров (установок) определяют исходя из принятой площади
фильтрования одной установки:
с учетом резервных установок.
Проектирование других элементов фильтровальных установок ведут с учетом
рекомендаций разработчиков.
136

12.8. Намывные фильтры
Намывные фильтры представляют собой открытые, напорные или вакуумные
резервуары, внутри которых находятся фильтрующие элементы с размером ячеек
100-150 мкм (пористые керамические, сетчатые, каркасно-навитые), на которые
предварительно намывают специальные фильтрующие порошки. В качестве фильтрующих
порошков применяют диатомит, целлюлозу, бентонит, опилки и другие материалы с
размером частичек 50-70 мкм.
На намывные фильтры рекомендуется подавать воду, содержащую до 40 мг/л
взвешенных веществ при ее цветности до 30 град. При этом примерно в 2 раза снижается
содержание органических веществ, удаляются железо, марганец, масла и микроорганизмы.
Перед началом фильтроцикла фильтрование суспензии специального порошка
через чистые фильтрующие элементы на их поверхность в течение 3-5 мин наносится
фильтрующий слой. Расход порошка составляет 300-400 г/м^ фильтрующей площади.
За счет разности давлений в корпусе фильтра и внутри фильтрующего элемента на
поверхности последнего удерживается равномерный слой порошка. Через некоторое
время на поверхности фильтрующего порошка может образоваться плотная пленка,
приводящая к резким потерям напора. Поэтому режим работы фильтров изменяют.
После зарядки фильтра в воду непрерывно или периодически добавляют 3-10 мг/л
фильтрующего порошка. Этот прием помогает значительно удлинить фильтроцикл.
Промывают намывные фильтры осветленной водопроводной водой в течение
15 мин подачей ее через фильтрующие элементы в направлении, противоположном
движению воды при фильтровании. Расход воды на промывку составляет 0,5-0,7 %
исходного ее количества.
137

13. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ
РЕАГЕНТНОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ
13.1. Обработка воды химическими реагентами
Определение доз реагентов.
В процессах обработки воды применяется большое количество реагентов и
материалов: соли, кислоты, щелочи, сорбенты. Реагенты поставляются в твердом, жидком или
газообразном состоянии. От свойств реагента зависят условия его хранения и
подготовки к дозированию в воду. Основные характеристики наиболее часто применяемых
реагентов приведены в табл. 13.1.
Таблица 13.1
Реагенты
1
Алюминий
сернокислый
технический
очищенный
(сульфат
алюминия,
гидрат)
Оксихлорид
аллюминия
("Аурах")
Хлорное
железо
(хлорид железа
(III))
Сернокислое
окисное
железо
(сульфат железа
(III), гидрат)
Железный
купорос
технический
(сульфат
железа (II),
гидрат)
Стекло
натриевое
жидкое (метаси-
ликат натрия
технический)
Полиакрила-
мид
технический
Химическая
формула
основного вещества
2
А12(804)з14Н20
А12(804)з18Н20
[Al2(OHMCl]
•6Н2О
FeClj
Fe2(S04K-9H20
FeS04-7H20
Na2Si03
Сополимер
амида и солей
акриловой кислоты
ГОСТы и
нормативные
документы
3
ГОСТ 12966-85
-
-
ВТУУХКП 52-80
-
ГОСТ 13078-81*
ГОСТ 13079-8!
СТУ 120221-84
ВТУ 70401-86
Насыпная
масса, т/м'
4
1,1...1,4
1,1
1,5
0,96
1,15
1,43...1,55
-
Назначение при
обрабоггке воды
5
Коагуляция
примесей воды при
осветлении и обецве-
чивании воды
Тоже
То же, особенно
целесообразно при
низких
температурах вод
Тоже
То же, применяется
при известковом и
известково-содовом
умягчении воды
После активации в
качестве флокуля н-
та
Флокуляция для
интенсификации
хлопьеобразования
138

Продолжение таблицы 13.1
1
Хлор жидкий
Хлорная
известь
Гипохлорит
натрия
Тиосульфат
натрия
(тиосульфат
натрия, гидрат)
Сернистый
ангидрид
жидкий
технический (оксид
серы (IV))
Сульфит
натрия (сульфит
натрия, гидр>ат)
Уголь
активный марки:
ОУ, сухой
БАУ
(древесный)
КАД йодный
рекуперацион-
ный
Марганцовоки
слый калий
технический
(перманганат
калия)
Медный
купорос (сульфат
меди)
Аммиак
жидкий
синтетический
2
Cl2
CaOClj
NaClO
NaiSjOj-SHjO
SOj
NaiSOj-THjO
-
КМПО4
CuS04-5H20
NH3
3
гост 6718-88*
ГОСТ 1692-85
ГОСТ 11086-86*
ГОСТ 11086-86*
ГОСТ 2918-89*
ГОСТ 903-86*
ГОСТ 4453-84*
ГОСТ 6217-84*
МРТУ 601611-83
ГОСТ 8703-84*
-
ГОСТ 19347-84Е
ГОСТ 6221-82*Е
4
1,41
1,2

Раствор
1,0
1,38
1,5
0,22
0,22
0,22
0,22
1,36
1,18
0,61
5
Хпорнрюванне воды
для
обеззараживания и
интенсификации прюцессов ее
осветления и
обесцвечивания
Хлорирюванне воды
для
обеззараживания и
интенсификации прюцессов ее
осветления и
обесцвечивания
Тоже
Дехлорирюванне
воды
Тоже
Тоже
То же, устранение
привкусов и
запахов, придаваемых
воде органическими
веществами
Тоже
Устранение
привкусов и запахов воды
Устранение
цветения воды в
водоемах,
биологического обрастания и
развития водорослей
Аммонизация воды
139

Продоллсение таблицы 13.1
1
Аммиак
водный
Сульфат
аммония
Аммоний
хлористый
(аммоний хлорид)
Известь
строительная,
воздушная
кальцинированная
(оксид
кальция)
Едкий натр
технический
(гидроксид
натрия)
Сода
кальционн-
рованная
техническая
(карбонат
натрия)
Кислота серная
техническая
Кислота
соляная
техническая
Тринатрнй-
фосфат
технический (орто-
фосфат натрия,
гидрат)
Гексаметафос-
фат натрия
технический
Натрий
кремнеф-
тористый
технический
(кремнефторид
натрия)
2
NHj + NH4OH
(NH4JS04
NH4CI
CaO
NaOH
ЫазСОз
H2SO4
HCl
ЫазР0412Н20
(NaPOj)^
NajSiFb
3
ГОСТ 3760-89*
ГОСТ 10873-
83*
ГОСТ 3769-89*
ГОСТ 2210-
83*Е
ГОСТ 9179-87
ГОСТ 2263-89*
ГОСТ5100-85Е
ГОСТ 10689-
85*
ГОСТ 2184-87*
ГОСТ 857-88*
ТУ 601-1194-89
ГОСТ201-86*Е
МРТУ 6085-84
ТУ 14/0769-84
4
0,91
1,03
0,48
1,0
1,5
0,9...1,2
1,84
1,2
0,80
1,26
1,5
5
Тоже
Тоже
Аммоний-натрий-
катионирование
Подщелачиваиие
воды, устранение
карбонатной и
магнезиальной
жесткости воды
Подщелачиваиие
воды
Регенерация анио-
нитовых фильтров
Подщелачиваиие
воды Устранение
некарбонатиой
жесткости
Стабилизационная
обработка воды
Регенерация Н-
катионитовых
фильтров
Тоже
Стабилизационная
обработка воды
Доумягчение воды
перец котельными
установками
Стабилизационная
обработка воды
Предотвращение
выпадения осадка
гидроксида железа
Фторирование воды
140

Продолжение таблицы 13.1
1
Натрий
фтористый
технический
(фторид натрия)
Аммоний
кремнефтористы
й технический
(кремнефторид
аммония)
Аммоний
фтористый
(фторид
аммония)
Оксид
алюминия
активный
2
NaF
(NH4)SiF6
NH4F
AI2O3
3
-
OCT 608-2-85
ЦМРТУ 3437-83
ГОСТ 8136-85
4
0,95... 1,0
1,0
1,0
0,4...0,75
5
То же
Тоже
Тоже
Обесфторивание
воды
Примечание: 1. Для жидких веществ алотность приводится в т/м^.
2. Насыпная масса сухого (в числителе) и набухшего (в знаменателе) вещества.
Выбор реагентов определяется принятой технологией водоочистки, качеством
исходной воды и требованиями к степени ее очистки. Расчетные дозы реагентов по их
активной части устаиавливаются в зависимости от качества обрабатываемой воды с
учетом допустимых их количеств в очищенной воде. В процессе эксплуатации сооружений
дозы реагентов должны уточняться для каждого периода колебаний качества воды.
Ориентировочная доза коагулянта определяется по табл. 13.2 в зависимости от
мутности исходной воды. При применении контактных осветлителей или контактных
фильтров эта доза может быть уменьшена на 10-15 %. При коагулировании воды
алюминатом натрия его доза составляет 1/10 - 1/20 от дозы сернокислого алюминия.
Таблица 13.2
Мутность воды, мг/л
До 100
От 100 до 200
От 200 до 400
От 400 до 600
От 600 до 800
От 800 до 1000
От 1000 до 1500
Доза безводного коагулянта для
обработки мутных вод, мг/л
25-30
30-40
35-45
45-50
50-60
60-70
70-80
Дозы флокулянтов ПАА, применяемых для улучшения процесса хлопьеобразова-
ния ориентировочно определяются по табл. 13.3.
141

Таблица 13.3
Мутиость воды, мг/л
До 10
От 10 до 100
От 100 до 500
От 500 до 1500
Цветность воды, фад Р1-Со
>50
30-100
20-60
-
Доза безводного ПАА, мг/л
1-1,5
0,3-0,6
0,2-0,5
0,2-1
Доза хлорсодержащих реагентов (по активному хлору) принимается: для
обеззараживания воды поверхностных источников после ее очистки -до 2-3 мг/л, подземных
источников - 0,7-1 мг/л. При большом содержании органических веществ в исходной
воде для улучшения процессов коагуляции и обесцвечивания производится
предварительное ее хлорирования дозой хлора более 3 мг/л.
Дозы порошкового активного угля или перманганата калия, используемых для
удаления привкусов и запахов из воды, определяются по результатам технологических
исследований.
Суточный расход реагентов подсчитывается по формуле:
де.
с =^1-±2^,кг,
сут
Юр
A3.1)
где Д - доза реагента, мг/л; Q^„ - полная производительность станции, м^/сут (для
суток с максимальным водопотреблением); р - содержание активного вещества в
реагенте, %.
Для интенсивности процессов хлопьеобразования помимо ПАА в последнее время
применяются флокулянты, характеристики которых приведены в табл. 13.4 и 13.5.
Таблица 13.4
Флокулянт
Полимеры акри-
ламида
серии АК 636:
К 1020
К 555
К 580
Полимеры акри-
ламнда
серии АК 631:
А 930
А 1510
Н 150
Флокатон 100
Флокатои 200
Флокатон 109
ВПК 101
ВПК 402
Полиакриламид
Тип флокулянта
Слабокатионный
Сильнокатионный
Сильиокатиоииый
Средиеаниониы й
Слабоаниоиный
Неионный
Сильнокатионный
Сильнокатионный
Сильнокатионный
Сильнокатионный
Сильиокатиоииый
Слабоаниоиный
Товарный
вид
Порошок
Порошок
Порошок
Порошок
Порошок
Порошок
Гель 50%
Гель 50%
Гель 50%
Жидкость 25%
Жидкость 25%
Гель 8%
Содержание
ноногенных
групп, %
18-22
50-55
75-80
20-30
5-10
3
100
100
100
100
6-8
Обменная
емкость,
мг-экв/г
1,44
3,4
4,0
4,1
4,5
142

я
S
Р
и
ш
S
§■
S
а
X
I
о
X
S
о.
и
я
§■
ж X
ш ^
3"
О
и
э
1^
ia
its ■ й|
?Р
1Л *
6 О
Й§
Й§
Й§
6 =>
S
Г-
6
Й£
il
^1
til
с g о"
а
о <=
И
и
«Id
О
143

Подбор технологического оборудования.
На складах должен храниться запас реагента на срок до 30 суток в зависимости от
Q^„. Расчетный запас реагентов (доставляемых навалом) округляется до единиц,
кратных грузоподъемности транспортных средств (вагоны - 60 т, автосамосвал - 4 т), а для
реагентов, доставляемых в таре, кратным весу одной упаковки.
Годовой расход реагентов С^^в^ определяют по формуле:
^год ~'
Д о 365100
МО''
A3.2)
гае Дер - средняя для разных периодов года доза реагента, мг/л; Qcym.cp - полная
производительность станции, м^сут (для суток со средним водопотреблением).
Поставки и хранение реагентов на водопроводной станции производятся в сухом и
жидком состоянии, а их дозирование в воду - в виде растворов, суспензий или сухого
порошка. Все это определяет большой набор схем хранения и приготовления реагентов.
Схема приготовления коагулянта при сухом хранении, представленная на рис. 13.1,
целесообразна при расходе коагулянта до 5-6 т/сут. Транспортирование коагулянта по
складу и загрузка в растворные баки осуществляют с помощью кран-балки и
подвесного грейфера емкостью до 0,5 м^ с помощью дистанционного пульта.
Рис. 13.1. Схема реагеитиого хозяйства с сухим хранением реагента
(сернокислого алюминия):
1 - автосамосвал; 2 - склад; 3 - растворные баки; 4 - край-балка с грейфером; 5 - насос; 6 -
расходные баки; 7 - насос-дозатор; 8 - воздуходувка; I - трубопровод холодной воды; И -
трубопровод горячей воды; 1П - сжатый воздух; IV - раствор коагулянта
Склад коагулянта находится в неотапливаемом помещении. Высота склада должна
позволять производить беспрепятственную выгрузку коагулянта и его
транспортирование по складу.
Площадь складов следует рассчитывать на хранение 30-дневного запаса, считая по
периоду максимальной потребности реагента:
О ДТ
A3.3)
ЮОООрУоЛ
где Q^y„ - полная производительность очистной станции, м^/сут; Д- доза реагента, г/м^;
Т- продолжительность хранения реагента, сут; р - содержание акгивнолэ вещества в
реагенте, %; Уо ~ объемная насыпная масса реагента, т/м'; И - допустимая высота
складирования ~ 1,5-2,5 м.
144

Расходные баки находятся в отапливаемом помещении, отделяемом от склада
капитальной перегородкой. Над этим помещением находятся обычно помещения для
приготовления или хранения других реагентов. Из растворных баков раствор коагулянта
концентрацией 10-15 % перепускается в расходные баки, где разбавляется до рабочей
концентрации D-10 %). Для перемешивания раствора в нижнюю часть баков через систему
труб подается воздух. Из расходных баков раствор коагулянта подается в смеситель
насосом-дозатором, либо кислотостойким насосом через дозатор любого типа.
Количество расходных, растворных баков и насосов должно быть: растворных - 3, расходных - 2.
Схема организации реагентного хозяйства при мокром хранении коагулянта в
растворных баках-хранилищах представлена на рис. 13.2. В этом случае коагулянт
доставляется автотранспортом и загружается в растворные баки-хранилища, где растворяется
и хранится в виде 15-20 % концентрированного раствора. Емкость баков-хранилищ
рассчитывается на 30-суточный расход реагента. Количество баков должно быть не менее
трех.
Рис 13.2. Схема реагентного хозяйства с мокрым хранением реагента
(сернокислого алмииия):
/ - вагой с реагентом; 2 - подъемник; 3 - транспортер; 4,5 - растворная часть баков-храннлиш
концентрирюванного раствора коагулянта; б - насос; 7 - расходные баки; 8 - насос-дозатор;
9 - воздуходувка; / - трубопровод холодной воды; // - сжатый воздух; /// - раствор коагулянта
После растворения коагулянта производится его отстаивание. Осадок собирается в
нижней, подрешеточной части баков и сбрасывается в канализационный лоток. Из
верхней отстойной части баков-хранилищ крепкий раствор коагулянта забирается насосами
с помощью поплавка и перекачивается в расходные баки, где готовится рабочий раствор.
Для растворения и перемешивания коагулянта в баках предусматривается подвод
воздуха от воздуходувок. Воздуходувки могут располагаться в одном помещении с
расходными баками и насосами.
Для подачи воздуха в растворные н расходные баки обычно применяются водоколь-
цевые насосы-воздуходувки типа ВК.
Производительность воздуходувок определяется по формуле:
а = Z('/ • ^ ) J^ . mVmhh, A3.4)
где»', - интенсивность подачи воздуха в баки с реагентами, л/см^; F, - площадь в плане
баков с реагентами.
145

Интенсивность подачи воздуха для перемешивания растворов в баках принимается:
- для растворных баков коагулянта 8-10 л/с-м^,
- для расходных баков коагулянта 3-5 л/см^,
- для перемешивания известкового молока и других реагентов 8-10 л/см^.
При расчете учитывается одновременное приготовление раствора в двух
растворных баках и в одном расходном баке для каждого реагента.
По производительности подбирается потребное количество воздухог^ок. Следуегг
предусмотреть одну резервную воздуходувку. Харакгеристики водокольцевых
воздуходувок типа ВК приведены в табл. 13.6.
Таблица 13.6
Характеристики воздуходувок ВК
Марка
воздуходув
ки
ВК-1,5
ВК-3
ВК-6
ВК-12
Подача,
mVmhh
1,4
3,1
5,7
10,4
Габариты с
электродвигателем, мм
длина
660
1225
1500
1840
ширина
562
527
580
780

высота
850
990
1370
1750
Мощность
электродвигателя, кВт
4
7,5
18,5
22,0
Производительность насосов для перекачки готовых растворов определяется по
формуле:
W
е = —.мз/ч.
A3.5)
где W- объем расходного бака, м^; / - .время откачки раствора в расходные баки.
Если этот же насос используется для перемешивания реагента, то при расчете
производительности насоса необходимо учесть дополнительный расход на перемешивание: Q„
Q„=3,6FS-v^^ ,мЗ/ч,
A3.6)
где F- площадь в плане бака с реагентом, м^; v,,^ - скорость восходящего потока в
баке реагента, мм/с; S - доля объема раствора, подлежащего перемешиванию.
При перемешивании известкового молока принимают Vgo^r ~ 5 мм/с.
Напор насосов определяется:
Н = Az + 2_if^w'^^ , м.вод.ст..
A3.7)
где Az - высота подъема реагента; ГЛ^ - потери напора в трубопроводах
(ориентировочно можно принять 2-3 м.вод.ст.); 1 - свободный напор, м.
Насосов должно быть не менее двух (один рабочий, один резервный).
146

Для перекачки и дозирования реагентов целесообразно применять
насосы-дозаторы. Наиболее распространены плунжерные насосы-дозаторы типа НД,
предназначенные для перекачки чистых жидкостей и неабразивных суспензий с концентрацией
твердой фазы до 10 % по массе.
Подача насосов регулируется от нуля до максимума, путем изменения длины хода
плунжера.
Основные параметры насосов-дозаторов приведены в таблице 13.7. Первая цифра
в марке насоса означает подачу в л/час, вторая - давление в атм. Для перекачки
известкового молока применяются насосы НД с этими же параметрами, но устойчивые к
абразивному действию суспензий.
Перемешивание известкового молока в гидравлических мешалках, перекачка
угольной пульпы производится насосами типа ФГ, устанавливаемыми под залив без
обратных клапанов.
Таблица 13.7
Основные характеристики иасосов-дозаторов типа НД
Марка
НД 10/100
НД 16/23
НД 25/40
НД 40/25
НД 63/16
НД 100/10
НД 160/25
НД400/16
НД 630/10
НД 1000/10
НД 1600/10
НД 2500/10
Габариты, мм
длина
445
450
470
475
475
475
648
803
803
840
965
970
ширина
215
215
215
215
280
215
273
280
280
302
350
350
высота
465
465
465
465
677
465
622
677
677
726
840
840
Масса с электродига-
телем cqjHH ВАО, кг
42
43
44
45
46
48
78
110
120
150
239
245
При производительности станции более 50 тыс.м'/сут применяется схема с
хранением концентрированного раствора коагулянта в специальных резервуарах,
располагаемых обычно в здании или вне его (рис. 13.3).
После растворения в растворных баках коагулянт перекачивается кислотостойкими
насосами в баки-хранилиша, а в растворные баки загружается новая партия коагулянта.
Емкость баков-хранилищ рассчитывается на весь срок хранения.
Из баков-хранилищ 15-20 % раствор коагулянта насосами или самотеком подается
в расходные баки, где готовится рабочая концентрация раствора, подаваемая затем
насосами-дозаторами в смеситель.
Количество расходных баков в этой схеме должно быть не менее двух, растворных
баков и баков-хранилищ - не менее трех.
Перемешивание раствора в баках-хранилищах с помощью воздуха
предусматривать не следует. На крупных станциях по экономическим соображениям резервуары
обычно располагают вне здания реагентного хозяйства, но защищают от замерзания
раствора. Температура замерзания 30% раствора коагулянта -5°С.
147

Рис. 13.3. Схема при использовании коицентрироваииого коагулянта:
1 - растворный бак; 2 - резервуар-хранилище; 3 - расходный бак; 4 - насос перекачки
коагулянта из растворных баков в резервуары-хранилища; 5 - каиализациоиные лотки; 6 - водопровод;
7 - трубопровод к насосам-дозаторам; 8 - трубопроводы отвода раствора
Основные расчетные зависимости для определения объемов баков приведены в
таблице 13.8.
Таблица 13.8
Расчетные зависимости для определения емкостных сооружений реагентного хозяйства
Наименование
сооружения
Растворный бак
коагулянта и
известкового молока
Расходный бак
коагулянта и ПАА
Растворные баки (ре-
зервуары)-хранилища
коагулянта
Расходный бак коагулянта
Растворный бак
коагулянта
Бак гашения и
хранения известкового теста
Бак мокрого хранения
поваренной соли
Сатуратор
приготовления кремнефтори-
стого натрия
Формула определения объема, м ^
" ЮОООбд
W„b„
w= " "
b
" ЮОООб^у
24Tb
W = i\,S^2)G
W = i2,'&^3,0)G
W = \,5G
1000 "^' n^P
Примечание
должно быть не менее 3,
bp =20-17%
должно быть не менее 2,
для коагулянта 0 =10-
12%. 6 =4-iq%; для фло-
кулянта i =0,5-1,0%
должно быгь не менее 1,
6^=15-20%, У =1,2т/м^
баков не менее 2,
b =4-10%
баков не менее 3
не менее 2
не менее 2; Н < 2,5 м
п^ - число сатураторов
Q^ - производительность станции очистки, м'/ч; g^^^ - то же, м'/сут; D - доза реагентов, мг/л;
п - число часов, затрачиваемое на цикл приготовления реагента (обычно от 10 до 24 часов);
Ь - концентрация раствора в растворном баке, %; fc - то же в расходном баке, %; Т- время
хранения реагента на станции в сутках (должно быть ие менее 30); у - объемная масса раствора реа-
148

гейта (обычно 1 т/м^); G - масса реагента, хранимая на станции очистки воды (в расчете иа 30
суток), т; q^ ~ производительность сатуратора, л/час; Р - растворимость реагента, г/л; W - емкость
рабочей части (над колосниковыми решетками) баков и резервуаров, м^.
В удаленных районах, где имеется достаточно электрической энергии, и куда
поставка реагентов затруднена, для обработки воды может бьпъ применена электрокоагу-
ляцня. Электрокоагуляция, основанная на растворении алюминиевых или стальных
электродов для получения AljOj и РегОз, позволяет значительно уменьшить общую
площадь станции очистки, так как при этом отпадает необходимость в складах для
хранения реагента, растворных и расходных баках. Однако, вследствие большого расхода
электроэнергии этот метод обработки воды применяется преимущественно на станциях
небольшой производительности.
Использование очищенных гранулированных, хорошо растворимых коагулянтов
позволяет перейти на их сухое дозирование в воду.
Применение сухого дозирования реагентов повышает точность дозирования и
упрощает технологическую схему реагентного хозяйства, так как отпадают растворные и
расходные баки.
Использование известкования воды для улучшения процессов коагулирования и
стабилизационной обработки воды связано с необходимостью предварительного
гашения извести. Из-за малой растворимости извести ее обычно дозируют в виде
известкового молока, представляющего собой быстро расслаивающуюся суспензию. Поэтому в
баках хранения известкового молока требуется постоянное перемешивание.
При сухом хранении строительную известь доставляют в негашеном виде на склад,
примыкающий к помещениям, где расположено оборудование известкового хозяйства.
С помощью грейферного крана известь загружается в приемный бункер для гашения.
Гашение извести производят при помощи известегасилок или шаровых мельниц. При
Применении комовой извести перед загрузкой в известегасилку требуется ее
предварительное дробление в дробилках. После известегасилки концентрированное известковое
молоко поступает в растворные баки-хранилища, а затем в гидравлическую или
механическую мешалку, где разбавляется до 5 % концентрации; или циркуляционным
иасосом.
Недостатком сухого хранения извести является большое пылевьщеление при
производстве работ и их трудоемкость.
Известегасильные аппараты (табл. 13.9) применяют для гашения и измельчения
извести.
Таблица 13.9
Характеристики аппаратов известкового хозяйства
Марка аппарата
Известегасилка
C-3S2
Известегасилка
СМ-1247
Шаровая
мельница СМ-432
Стержневая
мельница С М-43 5

Производительность,
т/ч
U0
2-3
0,5-1,9
1-2,4
Габариты, мм
длина
1770
2800
5088
4925
ширина
1750
996
1800
1820
высота
1540
1560
1700
1700
Мощность

электродвигателя, кВт
2,8
2,2
20
20
149

Известегасилки применяют для приготовления известкового молока из
извести-пушонки или быстрогасящейся комовой извести-кипелки. Для гашения извести в них
подается холодная вода.
Шаровые и стержневые мельницы предназначены для мокрого измельчения и
гашения комовой извести. К ним подводится горячая вода. Мельницы применяются при
больших расходах извести. При их применении увеличивается количество осадка в
сооружениях очистки воды. Для осветления известкового молока применяются
гидроциклоны или вертикальные отстойники.
Обычно применяют гидроциклоны типа ГЦК с внутренним диаметром не более
250 мм. При необходимости устанавливают несколько гидроциклонов.
Известковое молоко на гидроциклоны подается насосами типа ФГ или ПС с
напором от 6 до 25 м. Слив осадка из гидроциклона производится обратно в бак
неочищенного молока. Осветленное молоко подается в бак очищенного молока, а оттуда насосом-
дозатором в обрабатываемую воду.
Вместо гидроциклона для осветления известкового молока можно применять
вертикальные отстойники, рассчитываемые по восходящей скорости потока 2 мм/с.
На рис. 13.4 представлена схема организации известкового хозяйства, принятая в
действующих типовых проектах станций малой и средней производительности.
6 7
Рис 13.4. Схема известкового хозяйства с поступлением комовой иегашенной извести:
/ - автотранспорт; 2 - бункер; i - питатель; 4 - дробилка; 5 - элеватор; 6 - бункер-хранилище;
7 - вибратор; <S - питатель; Р - известегасилка; 10 - промежуточный бак; II, 13 - насосы; 12 - бак с
гидравлическим перемешиванием; 14 - дозатор; / - трубопровод подачи воды; II - подача
известковой суспензии к смесителю
При стабилизации воды известковое молоко должно вводиться перед фильтрами,
что увеличивает нагрузку на фильтры по загрязнениям и уменьшает длительность их
фильтроциклов. Поэтому при соответствующем обосновании применяется ввод
раствора извести или очищенного известкового молока в трубопровод после фильтров.
При расходе извести на станции до 50 кг/сут по СаО допускается применение
схемы при которой известковое молоко из ящика для размыва теста подается в
сатуратор двойного насыщения для приготовления известкового раствора. Из сатуратора
очищенный известковый раствор подается в дозатор.
При больших расходах извести в трубопровод после фильтров дозируют известковое
молоко, предварительно очищенное в гидроциклонах или вертикальных отстойниках.
150

в отличие от коагулянтов и извести, сода и хлористый натрий являются хорошо
растворимыми реагентами.
Кальцинированная сода дозируется в воду в виде 5-8 % раствора для улучшения
коагуляции или для стабилизации воды.
Для приготовления раствора соды с целью улучшения коагуляции можно
использовать то же самое оборудование, что и для извести по схеме на рис. 13.4. Это позволит
оперативно переходить от использования извести к соде или наоборот, в зависимости от
наличия реагентов.
Наиболее распространенным флокулянтом является полиакриламид (ПАА),
поставляемый на станции очистки воды в виде гелеобразной массы.
ПАА хранится на станциях очистки в таре и растворяется в баках с
механическими мешалками с числом оборотов вала 800-1000 в 1 мин. Срок хранения раствора ПАА
на станциях очистки воды не должен превышать 15 суток (при большом сроке хранения
ПАА стареет). Водные растворы ПАА не обладают коррозийными свойствами и
дозируются в воду с концентрацией 0,5-1 %.
Схема приготовления ПАА представлена на рис. 13.5. Хранение и растворение
ПАА производят в одном помещении.
5
->Ч-
«АЗ—■
Рис. 13.5. Приготовление и дозирование полнакрнламида:
1 - растворный бак; 2, 3 - механическая мешалка; 4 - циркуляционный насос; 5 - расходный бак;
6 - дозатор; 7 - эжектор; 8 - сброс осадка в канализацию
Из других флокулянтов наибольшее применение получили активная кремневая
кислота (АК), ВПК-402, ВА-2, ВА-3 и др.
На рис. 13.6 приведена технологическая схема установки системы НИИ КВОВ
АКХ им. К.Д. Памфилова для приготовления АК обработкой жидкого стекла раствором
сернокислого алюминия. В расходных баках готовится 1,5-2,5 % раствор жидкого
стекла и 1,5-3,5 % раствор сернокислого алюминия. Раствор сернокислого алюминия
подается в расходный бак установки АК от расходных баков коагулянтного хозяйства.
В непосредственной близости от установки должен находиться склад бочек и
растворные баки жидкого стекла. Растворение жидкого стекла производится путем
перемешивания с помощью сжатого воздуха подаваемого с интенсивностью 3-5 л/с-м^.
Растворные баки можно совмещать с расходными, обеспечив забор отстоянного раствора
жидкого стекла с верхнего слоя баков.
151

Количество рабочих установок на станции должно быть не менее двух. В каждой
установке должен быть один рабочий и один резервный реактор.
Транспортирование и растворение реагентов сопровождается значительным
выделением вредных веществ в воздух. Поэтому реагентное хозяйство обычно
сблокировано в одной части здания очистки воды. Внутри цеха реагентного хозяйства должно быть
деление на помещения с однородными выделениями вредных веществ.
Примерно однородными помещениями можно считать склад коагулянта и извести,
в котором обычно находятся растворные бакн коагулянта н известегасилки; помещение
расходных баков, в которых обычно находятся также насосы и воздуходувки;
помещение хранения и приготовления ПАА; фтораторная, блокуглевание, хлораторная и другие
помещения.
В цехах реагентного хозяйства должно быть предусмотрено помещение для вент-
камеры.
Рис. 13.6. Принципиальная схема установки приготовлении активной кремиекнслоты(АК):
1 - баки рабочего раствора жидкого стекла; 2 - баки раствора сернокислого алюминия;
3 - бак раствора АК; 4 - реактор; 5 - полимеризатор; 6 - насосы-дозаторы; 7 - регулятор
давления; 8 - расходомер; 9 - эжектор; 10 - краны для регулирования времени полимеризации АК; 11
- сброс осадка в канализацию; 12 - подача воды; 13 - подача раствора АК в обрабатываемую
воду; 14, 15 - механическая мешалка
13.2. Электрохимическое коагулирование примесей
Электрокоагуляция - один нз приемов электрохимической очистки воды. Она
обеспечивает нарушение седиментационной н агрегативной устойчивости дисперсных
систем, что приводит к образованию крупных легко удаляемых хлопьев загрязнений, не
изменяя при этом природу сложных физико-химических процессов коагуляции.
В инженерной практике чаще всего электрокоагуляторы используют как аппараты,
позволяющие генерировать и дозировать коагулянт за счет электрохимического раство-
152

рения металлических электродов. Поэтому наибольший практический интерес
представляют основы расчета электрохимических генераторюв коагулянта.
Исходными данными для расчета электрогенератора коагулянта (ЭПС), как
правило, являются производительность установки (Q, м^/ч), состав исходной воды (тип и
концентрации примесей, подлежащих удалению), состав воды после обработки или
степень очистки воды по основным загрязняющим веществам.
Порядок выполнения расчетов может быть представлен следующей
последовательностью шагов:
- выбор материала электродов;
- оценка дозы генерируемого коагулянта;
- выбор рабочей плотности тока;
- расчет параметров электрохимического генератора коагулянта (оценка рабочего
тока - /роб, и рабочего напряжения - Up,,^;
- подбор источника тока;
- расчет габаритов электролизной ванны;
- расчет газовыделения;
- расчет тепловыделения.
Выбор материала электродов равнозначен выбору типа коагулянта для обработки
каждого конкретного потока воды.
Поскольку современное состояние теории коагуляции не позволяет расчетными
методами однозначно обосновывать выбор типа коагулянта, рекомендуется проведение
пробной коагуляции. Возможно и использование практических результатов обработки
аналогичных по природе систем, приводимых в литературе. Для типичных случаев можно
воспользоваться рекомендациями, некоторые из которых приведенными в таблице 13.10.
Таблица 13.10
Параметры работы электрокоагулятора при очистке некоторых категорий сточных вод
Категория
обрабатываемых
вод
а.
ю
о
Ж
а.
II
2 3
Ч S
о »
S
о
I
S
CQ
1
CQ
S
ч
о
X
а.
Подготовка
питьевой воды
(обесцвечнванне,
обезжелезнва-
нне. умягчение)
7-8
10-90
6-12,5
0,4- 2,5
10-12
3-20
Алюминий,
графит,
железо, ОРТА
и др.
10-15
В последние годы в практике используют электроды сложного состава - сплавов
различных металлов или композиций различных металлов. Применение сложных ком-
153

позиционных материалов при обработке водных потоков представляется весьма
перспективным направлением, поскольку значительно расширяет круг свойств рабочих
материалов (коагулянтов) по сравнению с возможностями чистых компонентов.
Электрохимическое растворение сплавов характеризуется большими, нежели для чистых
компонентов, выходами по току.
На рис. 13.7 и 13.8 представлены экспериментальные данные по изменению
величины стационарного потенциала Фстац, скорости электрохимического растворения
Fe - Al сплавов Vfe.^i, гидравлической крупности образующихся агрегатов U» удельной
поверхности коагуляционных хлопьев 5^ от состава бинарного сплава. Из приведенных
на рисунках экспериментальных данных видно, что все полученные зависимости
имеют нелинейный характер, сложным образом зависят от состава сплава.
Растворение железо-алюминиевых сплавов в области образования химического
соединения FejAl (область максимумов на представленных зависимостях)
сопровождается образованием коагулянта с более высокими гидродинамическими характеристиками,
чем растворение алюминия, железа и их сплавов иного состава. А именно,
гидравлическая крупность образующихся хлопьев коагулянтов или скорость их осаждения выше,
чем эти показатели для коагулянтов, полученных при электрохимическом растворении
чисто алюминиевых и железных анодов, в 2,5-3,0 и 1,8-2,0 раза соответственно.
Коагулянты, полученные при растворении сплавов в области образования химического
соединения FejAl, обладают более высокой удельной поверхностью Sy^ по сравнению с
коагулянтами другого состава, что свидетельствует об их более высокой адсорбционно-ко-
агулирующей способности.
Доза коагулянта - это минимально необходимая концентрация коагулянта в
обрабатываемом потоке в г/м^ (мг/л), при которой происходит интенсивное хлопьеобразование
гидроксидов металла, способных за счет физико-химического взаимодействия с
примесями концентрировать и удалять их в отдельную фазу (пену или осадок).
0.6
0.5-
0.4
9
0.9
0.8
-0.2-
■OX
■OA-
io n W
Солержжнне At ■ ciuik. mk
Phc. 13.7. Выбор оптимального:
растворимого анодного материала
154
8уд, см/г
Кэ 10"
мк
12-
10-
я_
в-
■t_
2_
и, мм/с
1р 10''
мк
о 50 100
содержание А1 в сплаве, нас
Рис. 13.8. Влияние состава Fe - Al сплавов на
гидродинамические и адсорбционные
характеристики электрогеиерируемых коагулянтов

Дозу коагулянта для электрокоагуляционных процессов иногда вьфажают также
через единицы количества электричества: Кл/литр, Ас/л (кулон на литр, амперсекунда
на литр) или А. час/м^ (амперчас на кубический метр). Перевод одних единиц в другие
базируется на законе Фарадея, который связывает массу электрохимически
растворенного металла и количество пошедшего на этот процесс электричества
М = М^^-1-1-г\/п-Р = Е-1-1-Ц, A3.8)
где М - масса выделяемого коагулянта, Л/^^ - грамм.-молекулярный вес металла
(алюминия M^i = 27, железа Mfg = 56), г/моль; F - число Фарадея, F = 96500
Асек/моль= 26,8 Ач/моль; Е - элекгрохимический эквивалент растворяемого металла,
г/Ач, г/ Асек.; / - сила тока. А; / - аремя, час (или секунды); г\ - выход по току (обычно
т) = 0,8-0,9); п - валентность, выделяемых в раствор ионов металла. Для Fe2+ w = 2, для
АР+ W = 3.
При электрохимическом растворении сплавоа в первом приближении можно
принимать, что растворение каждого из осноаных компонентов сплава идет
пропорционально процентному содержанию компонента в сплаве. Например, при растворении же-
лезоалюминиевого сплава с содержанием алюминия 20 % масса выделяемого металла
будет составлять:
М = М^,+М^, =@,8-Мр,-1-(-ц/п-Р) + @,2-М^Г^-(-т^/"-Р') A3.9)
Определение дозы коагулянта может быть произведено по стандартным
методикам. Однако при этом надо помнить, что расчетная доза относится к количеству соли
(сульфат алюминия или хлорид железа), которую используют в качестве коагулянта.
Для использования этих аеличии при расчете электрокоагуляционных процессоа
необходимо расчетное количество соли - коагулянта пересчитывать в расчетное количество
металла, содержащегося в этой соли.
Например, расчетная доза коагулянта - сульфата алюминия - составляет 150 г/м^.
Формула сульфата алюминия - А12(804)з. Учитывая, что молекулярные веса элементов,
входящих в молекулу сульфата алюминия составляют: А1 = 27; 5 = 32; 0=16,
определим молекулярный вес сульфата алюминия и кислотного аниона 804"^
Л/а12E04)з = 2,27 + 3- C2 + 4 • 16) = 342 m i m
A/so4=96 ^''*-'"^
Составляя пропорцию
342 - 54
ISO-Мм;
найдем массу алюминия в 150 граммах сульфата алюминия:
Л/а|= 150-54/342 = 23,684 г.;
Следовательно, расчет электрогенератора коагулянта надо вести на дозу
23,684 г/мз.
155

Однако наиболее правильный и точный результат определения дозы коагулянта
может быть получен при проведении пробных коагуляций. Это особенно необходимо
делать при использовании электродов сложного состава, например из сплавов, поскольку
эффективность работы коагулянта зависит и от соотношения компонентов сплава,
переходящих в раствор при электрорастворении анодов.
При электрокоагуляции генерация коагулянта происходит за счет растворения
металлических рабочих электродов. Электрохимическое растворение металлов включает в
себя две основные группы процессов: анодное растворение за счет действия
электрического тока и химическое растворение в результате взаимодействия материала электрода
с окружающей средой (водным раствором).
Анодное растворение металла под действием электрического тока - это процесс
окисления материала анода, приводящий к образованию ионов металла (Me*") на
границе раздела двух фаз: твердой - электрод и жидкой - обрабатываемая среда.
Ша
Сила тока - определяется величиной потенциала элекгрода, скоростью отвода
продуктов реакции и скоростью взаимодействия продуктов реакции с элементами
окружающей среды.
В определенных условиях при
увеличении потенциала наступает резкое падение
скорости анодного растворения металла.
Это явление называется пассивацией
металла. Пассивация связана с изменением
состояния поверхности электрода. Типичная
поляризационная кривая представлена на рис.
13.9. На этой кривой можно выделить
область увеличения тока с ростом анодного
потенциала A) (активная область); область
перехода от активного состояния к пассив- (п (п м
ному (II); область пассивации (III), в кото- т" т
рой ток растворения металла мал и часто Рис-13.9. Потеициостатическая кривая
практически не зависит от потенциала, и, наконец, область анодного выделения
кислорода (область разряда воды) (IV). Если раньше анодного выделения кислорода
наступает вновь растворение металла (пунктирная кривая), то промежуточная область Ша
называется областью перепассивации или транспассивности. Механизмы растворения
металла в активной зоне и в области перепассивации могут значительно отличаться.
Наиболее часто применяемые в практике электрокоагуляции электродные
материалы А1 и Fe обладают существенным недостатком - высокой способностью к пассивации.
Это осложняет эксплуатацию электрокоагуляционных установок, снижает
эффективность и повышает энергоемкость процесса. Использование сплавов или
композиционных анодов уменьшает склонность электродов к пассивации, однако, не исключает
этого явления полностью.
В качестве примера на рис. 13.10 и 13.11 представлены реальные поляризационные
кривые растворения алюминия и железа.
156

При выборе рабочих плотностей тока можно пользоваться и методом аналогий с
подобными технологическими процессами, однако, метод непосредственных
измерений гораздо более точен и надежен.
Расчет параметров электрохимического генератора коагулятора (оценка
рабочего тока - 1р^ и рабочего напряжения - Upgg}
Расчет рабочего тока (/^6) электрохимического генератора коагулянта
производится исходя из часовой производительности установки (Q^ao "'^ч) и необходимой дозы
коагулянта (Дк, г/м^).
1,мА/см
200
О ф В
Рис. 13.10. Анодные поляризационные кривые
растворения алюминия в растворах NaCl
различной концентрации:
1-0,001 моль/л; 2-0,01 мопь/л;
3-0,1 моль/л; 4-0,5 моль/л; 5-1,0 моль/л
О 1 2 ф
Рис. 13.11. Анодные поляризационные
кривые растворения железа в 0^ и
H2SO4:
1 - зона активного растворения; И -
переходная область; III - область пассивации; IV -
область анодного выделения кислорода
Масса коагулянта (М^. г/ч), которую необходимо генерировать ежечасно для
обеспечения необходимой производительности установки равна
Величина рабочего тока (Ipae) может быть определена по формуле
i^e-Mr"-F/(M^^
t-ц)
A3.11)
A3.12)
где Л/^ - масса выделяемого коагулянта; Л/^^ - грамм-молекулярный вес металла
(алюминия М^1 = 27, железа Mf^ = 56), г/моль; F - число Фарадея, F = 96500 Асек/моль = 26,8
Ач/моль; 1р^ - сила тока, А; ц - КПД выход по току (обычно г\ = 0,8-0,9); п -
валентность, выделяемых в раствор ионов металла; / = 1 - расчетное время, часы.
Определенный таким образом рабочий ток позволяет в первом приближении
оценить структуру электрогенератора коагулянта. Например, секционирование, когда
секции, работают параллельно друг другу, если Ip^g превышает величину 2500-3000 А.
Рабочее напряжение электрогенератора коагулянта (Up^g) складывается из следую-
157

щих основных составляющих: разность между равновесными эле1сгродными
потенциалами анода (фо) и катода (ф^) с учетом перенапряжения протекающих анодных (ц '„) и
катодных (т) \) реакций, падения напряжения на преодоление электрического
сопротивления обрабатываемого раствора {lJpacm\ падения напряжения на материале электродов
(L/д, Ui), падения напряжения на контактах {U^^^) и токоподводящих шинах (t/^).
^роб = ("Ф. -Ф* +Ц'а+г]\) + и^,„ +и^+и^ +t/,„,„ +и^ . A3.13)
Равновесные электродные потенциалы определяются процессами, протекающими
на аноде и катоде электрохимической ячейки. Наиболее точно они могут быть
рассчитаны по изменению изобарного потенциала (потенциала Гиббса - AG) протекающих на
электродах реакций.
Например, при электролизе кислых водных растворов на катоде происходит разряд
ионов водорода: 2Я+ + 2е- -> Яз, а на аноде молекулы воды: Н2О - 2е- -> 2Я++ I/2O2
Используя справочные величины значений свободных энергий (AG") для исходных
и конечных продуктов реакции (для Яг, Oj и H*AG> = О, для HjOAG^ = -56,69 ккал/моль,
для OH-AG'> = -37,585 ккал/моль) /10,И,12/, имеем:
Rt Rt
- катодный фк = Фк + 2,3—Igal =0-2,3 —рН = -0,058 рН В;
nF nF
Of Df
- анодный Ф. = Ф° + 2,3—/ga„^ = 1,23-2,3 —рН = 1,23-0,058 рН В.
nF nF
При переходе от стандартных условий протекания процесса (Р = 0,1 МПа,
Г= 25''С, акгивность электролита а = 1) к рабочим температурам и концентрациям
можно использовать уравнение Нернста.
(? = <?'+ 2,3-(RT/nF)-lga,, A3.14)
Для рассматриваемого примера равновесные электродные потенциалы имеют
значения:
Стандартные потенциалы многих электродных реакций могут быть найдены в
справочниках по электрохимии.
Падение напряжения в растворе (Up^^) для бездиафрагменных электролизных
аппаратов вносит наиболее существенный вклад в суммарное падение напряжения и
может быть рассчитано по выражению:
^рос.=1/^^-К-^г A3.15)
где / - рабочая плотность тока, А/м^; ае - электропроводность обрабатываемого
раствора, Ом/м (размерность может быть выражена в сименсах, См^'.м'; /j- расстояние
между электродами, м; Оз - коэффициент газосодержания межэлекгродного пространства,
который учитывает изменение электропроводности за счет газа, выделяющегося в
процессе электролиза. Коэффициент может быть рассчитан по эмпирической формуле
а,=A-Л''', A3.16)
где Г- газосодержание, величина которого может быть оценена выражением:
158

r = 3^-i,-tlq^={VJn,-Fyi,-tlq
уд
A3.17)
в котором Эоб - объемный электрохимический эквивалент выделяющегося газа при
рабочей температуре и давлении, мУмоль (для электрогеиераторов коагулянта таким газом
является водород, объемный электрохимический эквивалент которого в стандартных
условиях равен 0,0112 м^/моль); Ир - объем, который занимает 1 моль газа в рабочих
условиях, м^; п^ - число электронов, участвующих в каггодиом процессе газовыделения,
F- число Фарадея, F = 96500 Асек/моль=26,8 Ач/моль; i^- каггодная рабочая плотность
тока, Л/м^; / - расчетное время, час; ^^ - удельный часовой расход обрабатываемой
воды через единичную ячейку, образованную одной парой электродов генератора
коагулянта, м^/час.
Среднее газосодержание межэлекгродиого пространства составляет Г =0,01-0,04, и
незначительно влияет иа элеетропроводность, однако при малых расстояниях между
электродами (менее 5 мм) влияние газосодержания может резко возрастать и его учет
становится обязательным.
Для определения падения напряжения в растворе можно использовать графические
методы. Номограмма на рис. 13.12 позволяет получать необходимые результаты с
достаточной инженерной точностью.
4.5
4.0,
3.5.
3.0 J
В
-2" 2.0.
1.5'
1,0'
0.5J
3,0.
2.5'
2,0"
1.5'
Ключ
5 1.0.
•1 0,3
g 0,8!
I 0,6|
1 о,э
1 0,4.
I 0.3
Л
1 "•2'
1 o.ie
0.1
Номограмма
UpacT=
Ь
.В
ш
300.
~ 250'
X 200'
^ 150Н
75'
30.
25.
10 J
1
I
Рис. 13.12. Номограмма
для определения падения
напряжения в растворе
159

Потери напряжения на электродах и токоподводящих шинах (U^ U/^ U^)
рассчитывается по закону Ома:
^ = Jpa6-Prp-l„p/S„p , A3.18)
где /рдб - рабочий ток установки. А; р„р- удельное сопротивление проводника
(электрода или шины), Оммм^-м-'; /„^ - длина проводника, м; S„p - сечение проводника, мм^.
Характеристики некоторых наиболее распространенных материалов приведены в
табл. 13.11.
Падение напряжения на контактах электрической цепи ((/»„,«), как правило, тоже
невелико и может быть посчитано по формуле:
раб гконт
A3.19)
где Ip^g - рабочий ток. А; р^„^ - удельное сопротивление контакта, Оммм^
Таблица 13.11
Удельное сопротивление и допустимые плотности тока
для основных токопроводящнх материалов
Материал
Алюминий
Медь
Сталь (железо)
Латунь
Удельное сопротивление,
Ом-мм^-м'
0,026 - 0,029
0,017-0,018
0,103-0,140
0,031 -0,079
Допустимая плотность
рабочего тока. А/мм ^
2,0
3,0
1.5
1,0
Величина р^^^^ зависит от удельного давления в контакте, состояния
соприкасающихся поверхностей, температуры и ряда других факторов. Например, при удельном
давлении 50 кг/см^ и температуре 250С Ркоит Для некоторых пар материалов принимает
следующие значения: «медьмедь» - 0,05, «алюминийалюминий» 0,5, «медьтитан» 0,1,
«медь-графит» 1,25.
Величина общего рабочего напряжения позволяет прежде всего выбрать и
обосновать схему соединения электродов в электрохимической установке.
На рис. 13.13 представлены основные схемы
+ +-I подключения электродов к источнику питания.
Наиболее часто на практике используется
монополярное соединение.
Биполярное соединение (расчетное рабочее на-
в)_^ , ■ :—Ll-, пряжение находится в пределах 2-5 В), снижая ра-
I ■ I"" ■ I ■ I М I -1—hU-i I бочие токи, требует повышения рабочих
напряжений на источнике питания установки. При этом
необходимо учитывать, что максимальное
допустимое напряжение на электролитической ячейке не
должно превышать 36 В.
Комбинированные схемы позволяют
оптимизировать нагрузки на источнике питания и повысить
L _Блок_[ _[_ Блок II I
Рис. 13.13. Схемы подключения
электродов:
а - монополярная, 6
в - комбинированная
биполярная, КПД используемых выпрямительных агрегатов.
160

Расчет габаритов электролизной ванны
Габаритные размеры ЭГК могут быть рассчитаны на базе результатов выбора
материала рабочих электродов, подбора необходимой дозы коагулянта - Д, г/м^, результатов
выбора рабочей плотности тока - ipag, А/м^, расчетного рабочего тока установки 1р^, А,
и заданной производительности установки, Q, м^/час.
Исходя из величины рабочего тока Aр^) и рабочей плотности тока (ip^g) находим
величину поверхности рабочих электродов (анодов - S^), обеспечивающих генерацию
необходимой дозы коагулянта в установке:
^а ~^раб ''раб
A3.20)
Одним из основных условий оптимальной работы злектролизера является то, что
проходное сечение межэлектродного зазора E„р должно при заданной
производительности Q обеспечивать турбулентный режим течения жидкости.
Для каналов прямоугольного сечения критерий турбулентности потока по Рей-
нольдсу определяется минимальным значением скорости потока (v„,„):
откуда
Rg _ ZmL > 2800,
•^ V
v„i„ ^ " ^ > 2800 • V / 4/г .
mm ^j^ г
A3.21)
A3.22)
где v„i„- минимальная скорость потока жвдкости в межэлеетродном зазоре генератора
коагулянта, при которой режим течения жидкости остается турбулентным (рис. 13.14);
V - кинематический коэффициент вязкости обрабатываемого потока; R^ -
гидравлический радиус прямоугольной ячейки.
При проведении расчетов для водных потоков с умеренными концентрациями
примесей величина кинематического коэффициента вязкости может быть принята равной
кинематическому коэффициенту вязкости для воды. Высокие концентрации примесей,
особенно таких, как СПАВ или нефтепродукты, может потребовать существенной
корректировки этой характеристики.
Значения кинематического (v) и динамического
(ц) коэффициентов вязкости воды приведены в
таблице 13.12.
Задаемся шириной элешрода (В) и расстоянием
между электродами (Я), которые определяют сечение
i ^у^ ^у^ у^ элементарной проходной ячейки и оцениваем
критические гидродинамические параметры потока в эле-
"^г~рт" Г ментарной ячейке в процессе работы генератора коа-
/С »<—;;—>1 гулянта.
Величина гидравлического радиуса элементар-
Рнс 13.14. Элементарная проход- ««" ячейки (Л^) может быть определена по выраже-
яая ячейка электрогенератора коа- нию:
гулянта
6 - 9858
161

R^=BH/2(B + H)
A3.23)
Таблица 13.12
/V.
2
4
6
8
V,
см/с
0.01673
0,01567
0,01473
0,01386
г/см с
0,01673
0,01567
0,01473
0,01386
/V.
10
12
14
16
V,
см/с
0,01308
0.01236
0,01171
0.01111
г/см' с
0,01308
0,01237
0.01172
0.01112
г°с.
18
20
22
24
V,
см/с
0.01056
0,01005
0,00958
0,00914
г/смс
0,01057
0,01007
0,00960
0.00917
Устойчивость рабочего потока может быть оценена по критерию Фруда:
^ IO-S, A3.24)
С- _ mm
g-R.
в табл. 13.13. приведена оценка пределов скорости потока для различных
геометрических размеров элементарной ячейки при рабочей температуре 10°С и Ле,р=3000 >2800.
Таблица 13.13
162
Н, см
1
1,5
2
2.5
В, см
1
2
5
10
20
50
1,5
3
7.5
15
30
75
2
4
10
20
40
100
2,5
5
12.5
25
50
125
BIH
1
2
5
10
20
50
1
2
5
10
20
50
I
2
5
10
20
50
1
2
5
10
20
50
Л, .см
0,250
0,333
0,417
0,455
0,476
0,490
0.375
0,500
0,625
0682
0,714
0,735
0.500
0,667
0,833
0,909
0.952
0.980
0.625
0,833
1,042
1,136
1,190
1,225
V™„.CM/c
39.240
29,430
23,544
21,582
20.601
20.012
26.160
19.620
15.696
14388
13,734
13.342
19,620
14.715
11,772
10,791
10.301
10,006
15.696
11.772
9.418
8.633
8.240
8.005
Fr
6Д78
2.649
1.356
1,045
0.909
0.833
1,860
0,785
0,402
0.310
0Д69
0Д47
0.785
0.331
0.170
0,131
0,114
0,104
0,402
0,170
0.087
0.067
0,058
0,053

При выполнении расчетов, аналогичных приведенным в табл. 18.10.4, значение Re
принимается большим, нежели Re^p, поскольку в процессе работы геометрические
размеры элементарной ячейки меняются в сторону увеличения высоты (Я) за счет
растворения материала электродов. Пределы этих изменений можно оценить по принимаемой
толишне эяектродных пластин E).
Например, примем толщину рабочего электрода 5 = 6 мм = 0,6 см. и зададим
параметры элементарной ячейки: В = 1см, //= 1см, что соответствует гищшвличессюму
радиусу элементарной ячейки R^ = 0,25 см. При этом для Re^ = 2800 минимально
допустимая скорость потока жидкости будет составлять v„,„ = 36,624 см/с. То есть в
начальный период работы аппарата допустимые критические параметры нарушаться не будут.
Однако после того, как электрод сработается, например, на 5 мм, высота элементарной
ячейки станет равной Я = 1,5 см, а гидравлический радиус R^ = 0,30 см. Рабочая
скорость потока при этом уменьшится и будет равна Vp = 24,416 см/с. Величина критерия
Рейнольдса для потока в этих условиях окажется равной Re = 2240, что на 20% меньше
Re^ = 2800. Такое изменение гидродинамических режимов потока недопустимо,
поскольку приведет к нестабильности работы установки, т.к. будет сопровождаться
повышением поляризуемости рабочих электродов, снижением действительных рабочих
плотностей рабочего тока и количества генерируемого коагулянта и т.п.
Помимо отмеченного выше, выбранное значение (Я) проверяется на обеспечение
безопасных величин напряжения питания ((/ < 36 В).
Зная допустимые скорости обрабатываемого потока {v„,„) и площадь сечения
элементарной ячейки (^э = В Н), можно определить расход жидкости через элементарную
ячейку (q^) и рассчитать количество ячеек (/ij.,), необходимое для обеспечения заданной
производительности установки.
4.=S^-v^.„={B-H)-v^.„ ^ A3.25)
"э.я=Я^Яэ, A3.26)
Если расчетная п^^ не является целым числом, то проводят его округление до
целочисленного значения с проверкой v„i„ на удовлетворение критическим парамегтрам
работы. При необходимости могут изменяться выбранные параметры элементарной
ячейки с пересчетом всех критических хараюгеристик.
Длина рабочих электродов (/,) определяется исходя из рассчитанной величины
рабочей поверхности (За).
Поскольку известна (выбрана) ширина элементарной ячейки {В) и рассчитано
необходимое количество ячеек («эл). рабочая ширина всех электродов в аппарате (Вр^)
равна:
В^=Вгг,„, A3.27)
Так как
S ^В^-1 . A3.28)
а раб э
То
l^=SJB^. A3.29)
6* 163

Если расчетная величина (Z,) оказывается слишком большой из конструктивных
или строительных соображений, то возможно разделение ячейки на блоки, суммарная
длина которых равна (/,).
После определения установочных (задаваемых) и основных технологических
параметров аппарата, приведенных выше можно производить расчет его конструктивных и
строительных параметров.
Для этого необходимо принять общую конструкторскую схему аппарата и выбрать
принципиальную схему соединения электродов. Чаще всего на практике для
генераторов коагулянта используют проточные аппараты с продольным, восходящим или
нисходящим направлением движения жидкости и набором плоскопараллельных электродов в
рабочей зоне аппарата. Принципиальная схема аппарата представлена на рис. 13.15.
Vb
Осадок
Ряс. 13.15. Расчетная схема генератора коагулянта
Количество электродов, которые образуют проходные элементарные ячейки и
размещаются в рабочей камере генератора можно определить по вьфажению:
iV = и,. +1 , шт.
A3.30)
Геиераггор конструктивно имеет прямоугольную форму. Длина (IJ, ширина (В^) и
высота (AJ аппарата зависят от метода компоновки элементарных ячеек в корпусе
генератора.
При однорядной продольной компоновке элементарных ячеек длина аппарата будет
определяться выражением:
где Л„ - величина монтажного зазора, обычно равна 5-10 мм.
Ширина аппарата:
5 =5 + 2Л„ .
A3.31)
A3.32)
164

При однорядной поперечной компоновке эти же величины соответственно равны:
1, =Я + 26 + 2Л^, A3.33)
5,=E-и,,) + 2Л, , A3.34)
При многор51дной смешанной компоновке длина и ширина аппарата будут кратны
соответст^ющим характеристикам элементарной ячейки. Соответствующие
соотношения подбираются исходя из других условий, например размеров и конфигурации
площади помещения, в котором будет размещен аппарат.
Высота аппарата во всех случаях одинакова и равна:
K=hcc+f^k+K, A3.35)
где hoc ~ высота осадочной зоны, м, (принимается конструктивно при угле наклона
конуса 45-60°); А^ - высота рабочей камеры, м, (принимается равной A,05-1,1)/з);
И, - высота верхней зоны, м, (принимается равной @,1-0,2Oэ).
Масса электродов генератора коагулянта (М^) рассчитывается по выражению:
^э,=^-^а-Р , A3.36)
где р - плотность материала электродов, т/м^, (рре = 7,86, рд] = 2,58).
Срок службы электродов до замены (Тр^) может быть определен по выражению:
^^=М^;У]^,„/Д,-д^, A3.37)
гае Лист - коэффициент полезного использования металла, (ti^^ = 0,8-0,9); Д^ - доза
коагулянта, генерируемого в обрабатываемый поток, г/м^; g^^ - часовая
производительность аппарата, м^/ч.
Кроме аналитического метода расчета основных параметров аппаратов
электрохимической генерации коагулянта в литературе встречаются и графические методы расчета.
На рис. 13.16 - 13.18 приведены номограммы для определения основных
конструктивных nap^kieipoB электрореакторов в зависимости от необходимой
производительности оборудования и основных электрохимических характеристик рабочих материалов.
1^пользование графического метода расчетов позволяет с достаточно высокой
инженерной точностью получить необходимые конструктивные параметры аппаратов.
Подбор источника тока
Подбор необходимых источников тока для питания электрогенераторов коагулянта
производится на основании величин рабочих токов и рабочих напряжений,
необходимых для обеспечения нормального функционирования аппаратов. В табл. 13.14
приведены технические параметры некоторых выпрямительных агрегатов, выпускаемых
нашей промышленностью.
165

Количество зпекп
Рнс 13.16. Номограмма для
определения основных
констрзпстнвных параметров
электрореакторов в завнсимости
от расхода воды ■
электрических параметров
их работы
Ширит апактрода Ьз.
Рис. 13.17. Номограмма для расчета скорости
движения воды в межэлектродиом пространстве
электрореактора с плоскопараллельными
электродами
Расхсп металла алвктропо*/^, г/м'Годовой расход металла Мщп. г/гад
100 80 80 40 20 0 2 4 8 8 101214161820
I I' V ' IV ' I М' ' М ' I г I I 1'1 I Ч I I I I i I '^ 111 I I I ' I I
Рнс. 13.18. Номограмма
определения расхода металла
электродов
Расход тока Дт.А-ч/м '
20 40 60 80 100
Расход тока Дт.А-ч/м ^
166

Таблица 13.14
Выпрямительные агрегаты, рекомендуемые для электрохимической очистки воды
(ОАО «Электровыпрямитель» г. Саранск)
Параметры
CQ
i
CQ
i
CQ
Нереверсивные выпрямители
CQ
t
CQ
n.
^
1.Входное напряже-
ние, В
380 ± 38
2. Частота, Гц
50 ±1
3. Номинальный
выходной ток, А
100
100
200
200
400
400
800
800
1600 1600 3150 3150
6300
6300 I25O0
4. Номинальное вы-
ходное напряжение, Е
12
24
12
24
12
24
12
24
12
24
12
24
12
24
12
5. Потребляемый
ток, А
3,5
12
12
25
25
42
45
90
90
160
180
300
300
6. Диапазон
стабилизированного
напряжения При
изменении тока от 0,1 до
номинального, В
7.Т0ЧИО
сть

билизации, %

напряжения
±2
тока
±3
8. Коэффициент
полезного действия,
%
75 80 80 86 80 86 80 86 83 86 80 86 80 86 80
9. Коэффициент
мощности, не менее
0,7
8
0,8
6
0,7
0,8
О
0,7
8
0,8
О
0,7
8
0,8
0,76
0,80
0,78
0,80
0,76
0,80
0,76
10. Расход
охлаждающей воды, м^ч
0,1
0,1
0,3
0,3
0,4
0.4
0,8
Расчет газовыделения
В процессе генерации коагулянта на анодах электрохимического генератор коагу-
лзогга или электрокоагулятора на катодах происходят процессы восстановления
присутствующих в обрабатываемом потоке компонентов. Такими компонентами могут быть
кагаоны различных металлов, недиссоциированные молекулы примесей или молекулы
воды. Последние вносят основной вклад в совокупность протекающих катодных
процессов. При этом продуктом катодного восстановления является газообразный водород.
167

Максимальный теоретический объём водорода, выделяющегося при электролизе
технических вод {W), согласно закону Фарадея при нормальном давлении, может быть
определён по формуле:
fV = r^ C-I-t-^^^^,b^K A3.38)
'* 273
где tiij = 0,9-0,95 - катодный выход по току, учитывающий потери на поляризацию
электродов и воды, образование коагулянта и т.п., равный в описанных условиях 0,9; С -
объемный электрохимический эквивалент водорода, равный 4,2-10-^ м^/ч; /-потребляемый
ток. А; / - время электролиза, час.
Выделяющийся на катодах водород распределяется в окружающей среде по двум
направлениям:
- растворяется в обрабатываемом водном потоке;
- выделяется из обрабатываемого потока в атмосферу рабочего помещения.
Количество водорода, растворяющегося в обрабатываемом потоке {Wp), может
быть определено по формуле:
21,4 • 10'^ B73-ь Г)
273
^Р = :^ ^ .м^/ч, A3.39)
где Q - производительность рабочей секщга электрогенератора коагулянта, mV4; Т -
температура обрабатываемого потока на выходе из электрогенератора, 21,4 10-з -объем
водорода, растворяющегося в 1 м^ воды при Tq = О^С и давлении 760мм рт. ст., м^.
Количество водорода попадающего в атмосферу производственного помещения
определяется как разность между количеством водорода, выделившемся на электродах и
количеством водорода, растворившегося в обрабатываемом потоке.
W^=W-Wp, A3.40)
Последняя характеристика - W^„^ - чрезвычайно важна в проектных решениях,
поскольку водород в смеси с воздухом способен образовывать взрывоопасные смеси.
Нижний предел взрывоопасной концентрации водорода в смеси с воздухом
соответствует 4,0 объемным процентам. Предельно допустимая взрывобезопасная концентрация
(ПДВК) водорода для производственных помещений, согласно СНиПа П-М.2-72,
принимается равной 10% от нижнего предела взрываемости, т.е. 0,4 объемным процентам.
Расчет концентрации водорода в производственном помещении {С^ должен
учитывать объем помещения {V„a„), часовую кратность воздухообмена в нем за счет уже
существующей или проектируемой вентиляции (А",,,)» ^^ объем водорода, попадающего в
атмосферу при работе электрохимического генератора коагулянта ((Га„4„). Расчет
выполняют по формуле:
C^=K^-^I{K,^-V^J, A3.41)
Если аппараты технологической цепочки, следующие после электрогенератора
коагулянта, размещаются в том же рабочем помещении (камера хлопьеобразования,
отстойники и т.п.), то расчет надо производить на весь объем образующегося водорода
{W), поскольку растворенный водород в процессе дальнейшего технологического пере-
168

дела может выделяться из раствора в атмосферу рабочего помещения. При этом
формула примет вид:
C,^=^-^00/{K,„.V^J, A3.42)
Если расчетные концентрации содержания водорода {С^ окажутся меньше, чем
ПДВК (меньше 0,4 об. %), то дополнительных мер по интенсификации вентиляции
рабочих помещений принимать не нужно.
Если расчетные концентрации содержания водорода (C„d) окал^ся больше, чем
ПДВК (меньше 0,4 об. %), то необходимо увеличить кратность воздухообмена в рабочем
помещении (т.е. мощность воз^духообменных агрегатов) либо проектировать установку
на генераторе коагулянта индивидуального вентиляционного устройства,
обеспечивающего снижение концентрации водорода в отсасываемом воздухе ниже ПДВК @,4 об. %).
Для этого производительность вентилятора может быть принята равной {Q, м^ /час):
a„.=C00...500).fr. A3.43)
При соблюдении всех перечисленных выше условий рабочее помещение, в котором
расположен электрогенератор коагулянта может быть отнесено к категории Д
«невзрывоопасное», согласно классификации СНиПа II - М.2 - 72.
Расчет тепловыделения
Протекание эле1сгрического тока через электролизер сопровождается различными
тепловыми эффектами, которые способны существенно изменить температуру
обрабатываемых потоков в процессе обработки. К ним относятся тепловые эффекты
химических реакций, протекающих на электродах, тепловые эффекты взаимодействия
продуктов электролиза с обрабатываемой средой (теплоты растворения, теплоты гидролиза и
т.п.), теплота, выделяемая при прохождении элекгрического тока через раствор,
электроды и коммутирующие сети (джоулево тепло). Последнее вносит основной вклад в
количестве выделяющегося в электролизере тепла и может быть рассчитано по формуле
(кДж/час):
Q,„=3,6\7-I-{U^-\A%), A3.44)
где 3,617 - пересчетный коэффициент для перехода от электрических к тепловым
единицам; / величина рабочего тока. А.; U^j, - величина рабочего напряжения на
электродах, В; 1,48 - усредненная величина напряжения, расходуемая на разложение воды, В.
Повышение температуры обрабатываемой воды (AT) может быть рассчитано по
формуле:
Д^ ^баш /(Д^ш -Ясе -Рзл.) , A3.45)
гае Ас„ - удельная теплоемкость обрабатываемой системы (приближенно может быть
принята равной теплоемкости воды); q^^ - секундный расход обрабатываемой воды
через электролизер; р^ - плотность обрабатываемого потока; Q^„ - выделяемое в
электролизере тепло.
При достижении температуры, недопустимой по техническим или
эксплуатационным параметрам при работе аппарата, в конструкции электролизера должна предусмат-
169

риваться система охлаждения рабочих потоков (например, охлаждающие рубашки или
встроенные теплообменники) и система регулировки температурного режима.
Расчет колонных электрокоагуляторов
Схема аппарата представлена на рис. 13.19.
1. Продолжительность процесса полной коагуляции, ч, определяется по формуле
Л =
-3/
ЛЛ^л.
'кта
A3.46)
где R - сфера притяжения коагулирующих частиц загрязнений, равная сумме их
радиусов (г, + Гз).
Продолжительность полной коагуляции t^ можно также определить на основании
экспериментальных кинетических кривых изменения концентрации загрязнений при
действии электрогенерированных гидроксидов металлов.
2. Рабочий объем камеры электрокоагуляции, м^:
v:=Q-f.,
A3.47)
3. Основные размеры элекгрокоагуляционной камеры (м)
высота
A3.48)
гае \*^ - линейная скорость движения воды в элекгрокоагуляционной камере —
совмещенной камере хлопьеобразования и флотации: \\ = 0,01 м/с;
Очищенная
Рнс 13.19. Электрофлотокоагулятор
колонного тяпа:
1 - камера флотации, 2 - лоток для сбора пеиы,
3 - сбор очищенной вэды, 4 - камера
коагуляции, S - корпус, 6 ' растворимые электроды,
7 - обратный клапан, 8 - нерастворимые
электроды
диаметр
Г> -2 1^""
/.Отходы
(-Я.)
Исходная мда
Электролит
A3.49)
170

4. Диаметр штуцера для ввода исходной воды, м
A3.50)
^^-Ж^)
где V"^ - скорость движения воды в подводящем трубопроводе: при движении воды за
счет гидростатического напора v""^ = 0,8-1,2 м/с, при движении воды самотеком
уш^ = 0,3+0,6 м/с.
S. Остаточная концентрация нерастворимых частиц в камере электрокоагуляции
^^"^Д + ФСо-О- 03.51)
где Ф - константа скорости коагуляции.
A3.52)
/4
RT/
6. Рабочий объем зоны электрофлотации, м'
V^^^Q-t^. A3.53)
где 1ф - продолжительность пребывания воды во флотационной камере; 1ф = 0,3.. .0,6 ч.
7. Основные размеры элеггрофжггационной камеры, м:
высота
^Ф='ф-Уж, A3.54)
где уФж - скорость движения воды во флотационной камере; уФж=0,005-0,2 м/с;
диаметр
8. Площадь кольцевых нерастворимых электродов флотационной камеры, м^:
Электроды располагаются на глубине 0,5-1,0 м под уровнем жидкости в
зависимости от концентрации примесей в зоне флотации.
9. Величина тока на нерастворимых элекгродах, установленных в камере флотации, А
^эф=^эф-'ф, A3.57)
где {ф- плотность тока на электродах в камере электрофлотации, /^ = 0,01-0,02 А/см^.
171

10. Величина тока на электродах блока получения электрогенерированного
коагулянта, А
Ц=Чуь-Я . 03.58)
11. Удельное количество электричества, Ач/м^
'уд
У(^\в у
A3.59)
где Дш^ - удельный расход электрогенерирюванного коагулянта, г/м, определяемый
экспериментальным путем на основе исследования зависимости степени очистки сточных
вод от дозы коагулянта; А% - электрохимический эквивалент металла анода, г/Ач.
12. Суммарная площадь анодов блока электрогенерации коагулянта, м^
/i:-5.-0'
5. = у, = « V/. . „ .4 A3.60)
где /д - плотность анодного тока; для колонных ЭФК /д = 0,01-0,05 А/см^.
Толщина анодов с учетом их износа на 80% и заданного срока непрерывной
эксплуатации, мм
^.=^^^«,./0,8, A3.61)
где Л^ - толщина слоя аноднорастворяемого металла с единицы поверхности электрода
в единицу времени; х.^^ - заданная продолжительность эксплуатации анодов при
8-часовом рабочем дне Тзад = 46 месяцев.
Толщина слоя Л^ рассчитывается по уравнению, мм
Кр = ^IBJ^X A3.62)
где А\- линейный электрохимический эквивалент металла, мм/(Амин);
А\ = /4", • 10 / (р^^ 5д); р/^е - плотность металла, г/см^.
Значения линейного электрохимического эквивалента составляют для алюминия
0,02-07, для железа - О 220 мм/Амин.
14. Количество растворимых электродов при принятом квадратном сечении камеры
электрогенератора коагулянта с размерюм сторюн, равным D^,
"з=Я/(Лд+/,+2Р„+2) A3.63)
где /э - межэлектродное расстояние: /, = 0,015-0,02 м; Р„ - толщина диэлектрической
прокладки подбирается из технологических соображений: f „ я 5 + 10 мм.
15. Площадь одного электрода, м^
fs^SJn^ A3.64)
16. Высота электродов, м
К=/э1К, A3.65)
где Ь^ - ширина электродов (£)^ - 2f „), м.
172

Верхняя граница растворимых электродов располагается на 2-3D^ ниже места
ввода очищаемой воды в камеру смешения с элекгрогенерированным коагулянтом.
17. Выбор рабочих параметров электрокоагулятора, подбор источников питания,
расчет газовыделения и теплового баланса аппарата производятся аналогично.
13.3. Смесители
Смесители служат для равномерного распределения растворов реагентов в массе
обрабатываемой воды. Смешение реагентов должно быть быстрым и осуществляться в
течение 1-2 мин.
На практике применяют следующие типы смесителей: шайбовый, эжекторный;
вертикальный (вихревой), дырчатый, перегородчатый, коридорный, с фонтанирующим
слоем зернистого материала.
Число смесителей надлежит принимать не менее двух.
Расчет вертикального (вихревого) смесителя.
Смеситель этого типа может быть квадратного или круглого в плане сечения, с
пирамидальной или конической нижней частью (рис. 13.20).
Вертикальный смеситель может быть применен на водоочистных станциях средней
и большой производительности при условии, что на один смеситель будет приходится
расход воды не свыше 1200-1500 м^/ч. При смешении с обрабатываемой водой
реагентов в виде суспензий - известкового молока, каустического магнезита и др. - хфименя-
ются только вихревые смесители. Центральный угол между наклонными стенками
смесителя должен составлять а = 30-45°. Обрабатываемая вода подводится в нижнюю часть
смесителя с входной скоростью v„= 1,2-1,5 м/с.
3
Рис. 13.20. Вертикальный (вихревой
смеситель):
I - подача исходной воды; 2 - подача
реагентов; 3 - сборный желоб; 4 - отвод
воды, смешанной с реагентами
Площадь горизонтального сечения в верхней части смесителя определяется по
формуле:
f.=qi^.M\ A3.66)
где q - расчетный расход воды, м^/ч; v, - скорость восходящего движения воды,
принимается в пределах 30-40 мм/с.
173

в зависимости от формы смесителя находят ширину (для пирамидальной) или
диаметр (для конической) верхней части:
b. = Vf^ ,м. A3.67)
-2.^ ."■
A3.68)
Размер входного отверстия принимается в зависимости от диаметра подводящего
трубопровода:
d« = 2- -9- ,м. A3.69)
Полученный по формуле диаметр округляют до стандартного. Наружный диаметр
стального трубопровода. Для пирамидального в плане смесителя сторона квадратного
основания fe„ принимается равной d„.
Площадь нижней части смесителя (для пирамидальной или конической)
рассчитывается по формуле:
/ =6 х6 .м2, A3.70)
J Н И Н
и = ~<*^'- 03.71)
4
Высота нижней части смесителя равна:
К = 0.5(^, -dj-ctg{al2) , м. A3.72)
Для квадратного в плане смесителя 4, - Ь,-
Объем нижней части смесителя определяется по формуле:
W« = у ^. + fн + VfT^)' "'• 03.73)
Полный объем смесителя равен:
W = ^ .мз, A3.74)
60
где / - прюдолжительностъ смешения реагента с водой, мин.
Необходимый объем верхней части смесителя равен:
W^=W-W„,u\ A3.75)
174

Высота верхней части равна:
h,=WJf,,^, A3.76)
Общая высота смесителя равна:
К=К+К,м. A3.77)
Сбор воды осуществляется в верхней части смесителя периферийным лотком через
затопленные отверстия. Скорость движения воды в лотке Vj, принимается 0,6 м/с.
Площадь живого сечения сборного лотка определяется по формуле:
где п - количество сборных лотков, шт.
Площадь всех затопленных отверстий в стенках сборного лотка определяют по
формуле:
где Vp - скорость движения воды через отверстия лотка, принимается 1 м/с.
Задаваясь диаметром отверстий dg, определяют площадь одного отверстия/q и
общее количество отверстий по формуле:
Подбирают ширину bj, и высоту А, лотка исходя из dg nfj,. Уклон дна лотка
принимают I = 0,02.
Шаг оси отверстий определяют по формуле:
^o=PJno,M, A3.81)
где Рл - внутренний периметр лотка, м.
Расстояние между отверстиями равно:
ер=ео-с?о,м. A3.82)
Из сборного лотка вода поступает в боковой карман, размеры которого
принимаются конструкгивно так, «побы в нижней части разместить трубу для отвода воды,
прошедшей смеситель.
Расчет дырчатого смесителя.
Смеситель дырчатого типа (рис. 13.21) применяют на станциях обработки воды
производительностью до 1000 м^/ч. Он выполняется в виде железобетонного лотка с
вертикальными перегородками, установленными перпендикулярно к движению воды и
снабженных отверстиями, расположенными в несколько рядов. Скорость движения во-
175

ды в отверстиях перегородок v^ = 1 м/с. Чтобы избежать насыщения воды пузырьками
воздуха верхний ряд отверстий должен быть затоплен на глубину Aj= 0,1-0,15 м.
АА
A,0-1,5)Ьс
■>|\
5 ~
-а'
■ J
-
с
'~~
\
■ —'
\
~г
и
I
ф4
Т^
-»
р
П
1,
F
be
^
л
ь»
L^
^
Рис. 13.21. Дырчатый смеситель:
1 - подача коагулянта; 2 - подача исходной воды (из водоисточника); 3 - перегородки; 4 -
переливная труба; 5 - переливная камера
Количество отверстий в каждой перегородке определяют по формуле:
4-q
.2 .ЧП",
A3.83)
где q - расчетный расход воды, м^/с; dg - диаметр отверстий, м; принимается в пределах
от 20 мм - для станций небольшой производительности и до 100 мм - для станций
производительностью 1000 м^/ч.
Потери напора в отверстиях перегородок определяют по формуле:
Ih =
m-vl
Т ,м,
A3.84)
где \1 - коэффициент расхода, зависящий от отнощения диаметра отверстия dg к
толщине перегородки 6, принимаемый в пределах 0,65-0,75 (ц = 0,65 при dg I 8=2 и ц = 0,75
при dg/b=\). Толщина перегородки 5 = 0,06 м; /я - общее количество перегородок,
принимается не менее 3 щт.
Перепад уровней за каждой перегородкой рассчитывают по формуле:
АЛ = ^АЛ//И,м. A3.85)
176

Сечение лотка в конце смесителя равно:
f, = -3-,M, A3.86)
где Уд - скорость движения воды за последней перегородкой, принимаемая 0,6 м/с.
Задаваясь глубиной потока воды в конце смесителя (после всех перегородок)
Я=0,4-0,5 м определяют ширину лотка:
b„=fJH .^. A3.87)
Суммарная площадь отверстий в каждой перегородке определяется по формуле:
q
F<, = — ,м2. A3.88)
Минимальная площадь перегородки определяется по формуле:
Л=1.3/о,м2. A3.89)
Высота каждой перегородки определяется исходя из Я, А и Aj. Для первой (считая
с конца) перегородки она равна:
, ,м. A3.90)
h„=H + h-h
где hj - высота запаса, равная 0,20-0,25 м.
Ширина смесителя определяется по формуле:
K=fJK,u. A3.91)
Задаваясь количеством рядов отверстий, находят шаг оси отверстий по
горизонтали и вертикали. Расстояние между перегородками по длине дырчатого смесителя
принимают равным A,0-1,5N^.
Расчет перегородчатого смесителя.
Перегородчатый смеситель (рис. 13.22) применяется на водоочистных станциях
производительностью не более 500-600 м^/ч.
Сечение лотка определяется по формуле:
fn=4lv,,M\ A3.92)
где Уд - допустимая скорость движения воды в лотке, м/с (v, = 0,6 м/с); q - расчетная
производительность водоочистных сооружений, м^/с.
Ширина лотка определяется по формуле:
Ь=Г1Н,ы, A3.93)
Л •'Л
ще Я- высота слоя воды в конце смесителя после перегородок (минимальная величина
Я = 0,4-0,5 м). Расстояние между перегородками принимается равным двойной ширине
лотка.
177

Потеря напора в каждом сужении смесителя составит:
he - С " , м,
2-g
A3.94)
где v^ - скорость движения воды в сужениях перегородки, м/с; v^. = 1 м/с; С, -
коэффициент сопротивления, принимаемый равным 2,9.
Общие потери напора равны:
Е^="'^с .м,
где п - количество перегородок, и = 3 шт.
А-А
1
2Ьп
1 ,
5
 1
-1
ГО
1
-
—
\
- = ■ —^ J
\
'■ III mi —
~11
i 4
план
V
о
1'
П
—1 -J
be
i:
be
—' .
3
л
у \
Ьл
*■
A3.95)
^
Рис. 13.22. Перегородчатый смеситель:
1 - подача юагулянта; 2 - подача исходной воды (нз водоисточника); 3 - перегородки; 4 -
переливная труба; 5 - переливная камера
Размеры суженных проходов для воды в центральной перегородке, где имеется
2 боковых сужения определяются по формуле:
lev.- -, ,М2.
A3.96)
178

Высота слоя воды второй (считая с конца) перегород1си равна:
h2=H + h^ ,м,
Высота в свету каждого из двух боковых проходов составит:
К=К-К ,м,
A3.97)
A3.98)
где Aj - глубина затопления проходов от уровня воды до их верха, м, принимается не
менее 0,1-0,15 м.
Ширина каждого суженного прохода определяется по формуле:
'^я J с.ц 'п
A3.99)
Для перегородок с одним суженным проходом площадь прохода определяется по
формуле:
/i=9/v, ,м2,
A3.100)
Остальные размеры находятся аналогично определению размеров дырчатого
смесителя.
Расчет коридорного смесителя.
Коридорные смесители (рнс. 13.23) применяются на станциях с
производительностью более 300 тыс. м^/сут. Расстояние между перегородками должно быть не менее
0,7 м, число поворотов потока (на 180°) - 9-10.
1
Г 4
'"Kl—^
/iK /
п^^ 1, Д
^>-J' ^
\V?
1_
ч
т.
f
—^
»ч
J
*,
J
—^
—3
0,7 м
Рис. 13.23. Коридорный смеситель:
1 - коридоры; 2 - шиберы; 3 - подача
исходной воды; 4 - отвод воды с
реагентами
Сечение лотка определяется по формуле:
A3.101)
1де v^ - скорость движения воды в смесителе, принимаемая уменьшающейся от 0,7 до
0,5 м/с; q - расчетный расход воды, м^/с.
179

Потеря напора на одном повороте коридорного смесителя составит:
2
hc = ^~ ,м,
2-g
где С, - коэффициент сопротивления, принимаемый равным 2,9.
Общие потери напора равны:
A3.102)
X^ = "-^. ,м.
A3.103)
где п - количество коридоров, шт; принимается равным -8-12.
Длина коридора определяется по формуле:
Vo
t-60
,м.
A3.104)
где Vq - средняя скорость движения воды в смесителе, м/с; / - время пребывания воды в
смесителе, мин; принимается не менее 2-3 минут.
Расчет механического смесителя.
Механические смесители (рис. 13.24) основаны на принципе механического
перемешивания обрабатываемой воды с реагентами. Их применение особенно удобно при
введении нескольких реагентов. Время пребывания воды в таких смесителях 30-60 с.
Мощность двигателей механических смесителей принимается 1-1,5 кВт на каждые
1000 м^/ч производительности станции.
Объем резервуара смесителя определяется по формуле:
60
A3.105)
где q - расчетный расход воды, м^/ч; / - время пребывания воды в смесителе, мин.
Расход воды, просасываемой пропеллером мешалки за 1 с, определяется по формуле:
О = ,мЗ/с,
^" 60
A3.106)
где Z - число оборотгов воды в смесителе за 1 мин.; (обычно принимается 5-10).
Рис. 13.24. Механический смеситель:
1 - подача исходной воды; 2 - подача 1
реагента; 3 - двигатель с приводом для
мешалки; 4 - механическая мешалка;
5 - перегородка; 6 - отвод воды с
реагентом
^i=.
^
180

Диаметр мешалки определяется по формуле:
D =
4Q„
,м.
где Vfl - скорость просасывания воды через пропеллер; Vg - 1,5-2 м/с.
Число оборотгов пропеллера мешалки в 1 мин находят по формуле:
A3.107)
n.w =
27,2
•Vo
D-rg9cos4
, об/мин.
A3.108)
где ф - угол наклона лопасти винта (принимают равным 22°).
Напор, развиваемый пропеллером, равен:
1
2 Л
2-g
,м,
A3.109)
н=—
где Tin - гидравлический К.П.Д. пропеллера, равный 0,8-0,9; h - потери напора в
мешалке, м; А = 0,2 м.
Мощность двигателя мешалки определяется по формуле:
A3.110)
^ , кВт,
где Ло - К.П.Д. мешалки, равный 0,7-0,8; т\„ ~ К.П.Д. передачи от двигателя к мешалке
(принимается в зависимости от типа передачи в пределах 0,6-0,95).
Шайбовый смеситель.
Шайбовый смеситель (рис. 13.25) служит для смешения реагентов
непосредственно в напорном трубопроводе.
Применение шайбового смесителя не лимитируется производительностью стан-
Щ1Й.
Рис. 13.25. Шайбовый смеситель:
I - трубопровод; 2 - трубка для ввода
реагентов; 3 - шайба
При подаче реагентов непосредственно в напорный водовод необходимо, чтобы
приемная воронка в месте ввода раствора реагентов располагалась выше линии
пьезометрического давления воды в трубе. Между местом ввода и окончанием трубы не
должно быть задвижек. Отбор рабочих растворов в случае применения
насосов-дозаторов следует производить из верхних слоев расходных баков через поплавковое устрой-
181

ство. Длина участка, на котором происходит смешение, должна быть не меньше
величины равной 50 диаметров трубопровода.
Для лучшего смешения раствора реагентов с обрабатываемой водой и сокрашени-
ем длины участка рекомендуется устраивать сужения в напорном водоводе в виде
трубы Вентури или диафрагмы (шайбы). Эти сужения позволяют несколько снизить
пьезометрическое давление в месте ввода раствора реагентов в трубопровод и,
следовательно, уменьшить высоту расположения дозатора. Такие дроссельные устройства
обусловливают появление вихревых потоков в обрабатываемой воде, что благоприятствует
смешению ее с реагентами. Для обеспечения достаточно надежного смешения воды с
реагентами соотношение диаметров проходного отверстия диафрагмы и трубопровода
должно приниматься таким, чтобы потеря напора в диафрагме была в пределах
0,2-0,3 м. Отдозированный реагент вводится в трубопровод перед диафрагмой.
Трубка, подводяшая раствор реагента в напорный трубопровод, должна доходить
до его середины, а ее конец должен быть срезан под углом 45°. Трубку изготавливают из
пластмассы или стекла и укрепляют в напорном трубопроводе при помоши сальника.
Потеря напора в шайбе может быть определена по формуле:
A„=(u)/K8)-l)'-vV2g,M,
A3.111)
где со - плошадь живого сечения трубы, м^; щ - плошадь отверстия шайбы, м^; е -
коэффициент сжатия струи, определяемый по формуле:
8 = 0,57+ 0,043A,1-©о/ю)
Для вычислений пользуются табл. 13.15.
A3.112)
Таблица 13.15
(Oq/U)
S
0,1
0,613
0,2
0,618
0,3
0,623
0,4
0,631
0,5
0,642
0,6
0,656
0,7
0,677
0,8
0,713
0,9
0,785
Диаметр отверстия диафрагмы определяют по формуле:
d,=d-^(uj(u ,
мм.
A3.113)
где соо определяется из формулы Q/vq, а потери напора в диафрагме принимаются
равными 0,2-0,3 м.
Смеситель эжекторного типа.
Смеситель эжекторного типа (рис. 13.26) служит для смешения реагентов
непосредственно в напорном трубопроводе или во всасываюшей трубе насоса.
Применение смесителя эжекторного типа производительностью станции не
ограничивается.
В тех случаях, когда высотное расположение напорного водовода и дозировочных
устройств не обеспечивает подачу раствора реагента в водовод самотеком, может быть
рекомендована установка с эжектором.
182

_1
напором —> *'Т"'"
От
водопровода
Наочюпше ^
сооружения Вканалнзацию
>>.
С^"С-1 Всасывающая труба насоса НС-1
Рнс 13Л6. Схема ввода реагента:
а - в напорный трубопровод при помощи эжектора; 5 - во всасывающую трубу насоса; 1 - баки с
раствором коагулянта; 2 — дозировочный бак; 3 - воронка; 4 - эжектор; 5 - бачок постоянного
уровня
Величина вакуума в эжекторе определяется по формуле:
°~ f2 " ,МВОД. ст..
A3.114)
Tjifi Н - напор воды, подводимой к эжектору, м; /i - площадь сечения отводящей
трубы, M^ifi - площадь суженного сечения, м^.
Расход подводимой к эжектору воды может быть определен по формуле:
^'" л-н '"'''
A3.115)
где q, - производительность эжектора, mVh; А, - высота подачи воды эжектором, м;
т) - К.П.Д. эжектора, принимаемый в пределах 0,1-0,15.
Кроме того, в практике водоподготовки применяют и другие типы смесителей
реагентов. Это перфорированные распределители коагулянта: камерно-лучевые диффузор-
ные и струйные.
Схема перфорированного трубного распределителя коагулянта представлена на
рис. 13.27.
Рнс 13.27. Схема перфорированного
распредеднтеля коагулянта:
1 - центральный бачок; 2 - отверстия для
ввода коагулянта; 3 - штуцер для прнсоеди-
нення шланга подачи коагулянта; 4 -
заглушка; 5 - перфорированная трубка-луч
183

Число отверстий в перфорированном распределителе следует определять по
расходу раствора коагулянта и величине потери напора в распределителе 30-50 см. Число
лучей в распределителе следует выбирать так, чтобы на каждом луче было не менее
3-4 отверстий (число лучей должно быть не более 8).Следует предусматривать
возможность использования шланга при подаче коагулянта для осуществления обратной
промывки распределителя.
13.4. Камеры хлопьеобразонания
Камеры хлопьеобразования (КХО) служхг для плавного перемешивания смеси
обрабатываемой воды с растворами коагулянта и флокулянта и обеспечекия более полной
агломерации мелких хлопьев коагулянта и взвеси в крупные хлопья. Установка КХО
необходима перед горизонтальными и вертикальными отстойниками. Время пребывания
воды в перегородчатой КХО следует принимать 20-30 мин., в вихревой КХО 6-12 мин,
в КХО водоворотного типа 15-20 мин., (нижний предел - для мутных вод, верхний - для
цветных с низкой температурой в зимний период). При схеме с горизонтальными от-
стойникми следует устраивать КХО: перегородчатые, вихревые, встроенные со слоем
взвешенного осадка и механические (лопастные); при схеме с вертикальными
отстойниками - водоворотные. Механические КХО следует применять при соответствующем
обосновании. Отвод воды из КХО в отстойники следует пpeдycмaтpивJть при скорости
движения воды в сборных лотках, трубах и отверстиях не более 0,1 м/с для мутных вод
и 0,05 м/с для цветных вод.
Расчет перегородчатой КХО с вертикальной циркуляцией воды.
В перегородчатых КХО (рис. 13.28) устраивают ряд перегородок, заставляющих
воду изменять направление своего движения либо в вертикальной, либо в горизонтальной
плоскости, что и обеспечивает необходимое перемешивание воды. Применение
перегородчатой КХО с вертикальной циркуляцией воды целесообразно при расходе воды не
менее 6000 мУсут.
Объем камеры определяется по формуле:
W = ^,M\ A3.116)
60
где q - расчетный расход воды, м^/ч; / - время пребывания воды в камере, мин.
Площадь камеры в плане определяется по формуле:
F = WIH ,мЗ, A3.117)
где Я- высота КХО (рекомендуется принимать примерно равной высоте отстойника), м.
Площадь одной ячейки камеры определяется по формуле:
/ = 2 ,м2. A3.118)
3600-v
где V - скорость движения воды в камере, принимаемая равной 0,2-0,3 м/с.
Число ячеек в камере определяется по формуле:
„ = F//.iuT. A3.119)
Размер ячеек в плане должен быть не менее 0,7x0,7 м.
184

Полная ширина КХО определяется по формуле:
В = п,-Ь ,м,
A3.120)
где Ищ - количество ячеек в каждом ряду по ширине камеры, шт; b - ширина одной
ячейки, м.
по А-А
В
Т
А
^
^
вцд сверх)'
Т*
Рис 13.28. Схема перегородчатой камеры хлопьеобразоваиия с вертикальной
циркуляцией воаы:
а - разрез; 6 - план; 1 - подвод воды; 2 - сток; 3 - выпуск осадка; 4 - члж)д воды
Длина КХО определяется по формуле:
L = n^-S .м.
A3.121)
1де пц - количество ячеек в каждом ряду по длине камеры, шт; 5 - длина одной ячейки, м.
Потери напора в КХО определяют по формуле:
h^ =0,15-v^-w .м.
A3.122)
где V - скорость движения воды в камере, м/сек; т - число поворотов готока воды в
камере, принимаемое равным 8-10.
185

Расчет перегородчатой КХО с горизонтальной циркуляцией воды.
Такие камеры (рис. 13.29) применяются для водоочистных станций с
горизонтальными отстойниками при производительности не менее 40-45 тыс. мУсуткн.
Объем камеры определяется по формуле:
60
A3.123)
где q - расчетный расход воды, м^/ч; / - время пребывания воды в камере, мин.
Площадь камеры в плане определяется по формуле:
F = WIH ,м\ A3.124)
где Я - высота КХО, обычно пp^^нимaeмaя равной 2-3 м.
Ширина коридора камеры определяется по формуле:
6 = -
3600уЯ
, м.
A3.125)
где V - скорость движения воды в камере, принимаемая равной 0,2-0,3 м/с; Н - высота
КХО, м; ft - ширина коридора, должна быть не менее 0,7 м.
L
Рис. 13.29. Схема перегородчатой камеры
хлопьеобразования с горизонтальной нирк)*-
ляцней воды:
а - разрез; б - план; 1 - отверстие в стенке для
выпуска осадка; 2 - подвод воды; 3 - обводной
канал; 4 - промежуточный выпуск; 5 - выпуск
воды; 6 -выпуск осадка
т
и
Д.
Q-
-Р
-с-
-Р
4Н с-
■Р
-Р
Чти—
5 I 4,6
Необходимое число коридоров определяется по формуле:
L
-Р
п = -
6 + 5
.1Ш,
A3.126)
где L - длина камеры, м; так как КХО примыкает к торцевым стенкам горизонтальных
отстойников, то по условиям компоновки станции надо принять длину камеры L равной
суммарной ширине горизонтальных отстойников; 5 - толщина железобетонных стенок
камеры, равная 0,18 м.
186

Количество повороггов потока т будет иа единицу меньше числа коридоров п и
должно быть в пределах /и = 8-10.
Ширина КХО в плане, т.е. длина каждого коридора камеры определяется по формуле:
B = F/L ,м.
Потери напора в камере определяются по формуле:
A3.127)
L =0,15-v^-m 'М.
A3.128)
где V - скорость движения воды в камере, м/сек; т - число поворотов потока воды в
камере.
Расчет вихревой КХО.
Вихревые КХО (рис. 13.30) следует проектировать с вертикальными или
наклонными стенками (угол между стенками следует принимать в зависимости от высоты
камеры в пределах 50-70°). Скорость входа воды в камеру следует принимать 0,7-1,2 м/с,
скорость восходящего потока на выходе из камеры 4-5 мм/с.
3
.2
hum
Рис. 13Зб. Вихревая камера хлопьеобразова-
ния:
1 - подвод исходной воды; 2 - отвод воды после
КХО; 3 - кольцевой желоб
Объем КХО определяется по формуле:
W,
КХО
60
,мЗ,
A3.129)
где q - расчетный расход воды, м^/ч; / - время пребывания воды в камере , мин.
Площадь поперечного сечеиия верхней части камеры определяется по формуле:
где v^ - скорость восходящего потока на выходе из камеры, м/час.
A3.130)
187

Диаметр верхней части камеры определяется по формуле:
/
Z)b = 2J— ,м. A3.131)
Диаметр нижней части камеры определяют по формуле:
^«=2-J ,м, A3.132)
где v„ - скорость входа в камеру, м/с.
Площадь поперечного сечения нижней части камеры определяют по формуле:
_n-d„ 1^2. A3.133)
■^'' 4
Высота конической части КХО определяется по формуле:
h,„,=0,5-(D,-d,)-ctg^,M, A3.134)
где р = 30°- угол конусности.
Потери напора в вихревой КХО составляют 0,2-0,3 м на 1 м высоты конуса.
Объем конической части камеры определяют по формуле:
I
3
Объем цилиндрической наставки над конусом определяется по формуле:
Ко. -jKo. -ifb+L + л/ЛТ). "^- A3.135)
W =^W -W ,мЗ. A3.136)
" цил КХО "кон
Высота цилиндрической надставки над корпусом определяется по формуле:
^=^^ци./Л.м. A3.137)
Полная высота вихревой КХО определяется по формуле:
Необходимую площадь поперечного сечения желоба определяют по формуле:
/^=_^,м2, A3.139)
'ж
n-v
где п - количество желобов, при двухпоточном направлении потока n = 2;v^- скорость
движения воды в желобе, v^^ = 0,1 м/с.
188

Высота желоба определяется по формуле:
A3.140)
где Ь^ - ширина желоба; Ь^ = 0,2...0,4 м.
Необходимое количество затопленных отверстий определяется по формуле
«0 =
v-/o
,urr,
A3.141)
где/о - площадь отверстия, м^.
Периметр кольцевого желоба по внутренней стенке определяется по формуле:
/7 = л-(£>,-2/»^),м. A3.142)
Шаг оси затопленных от-верстий определяется по формуле:
е^ = р1щ ,м.
A3.143)
Проектирование контактных КХО.
Контактные КХО (рис. 13.31) следует применять в технологических схемах
осветления мало- и среднемутных цветных и высокоцветных вод. Область применения
контактных камер ограничивается мутностью исходной воды до 150 мг/л, цветностью до
250 град. Работа контактных камер хлопьеобразования основана на принципе контакг-
ной коагуляции, обусловленной способностью мелких частиц взвеси и микрохлопьев
коагулянта после взаимной нейтрализации элекгрокинетических зарядов прилипать к
поверхности более крупных частиц фильтрующей загрузки.
Чаще всего контактные камеры хлопьеобразования встраивают в вертикальные и
горизонтальные от°стойники и осветлители со взвешенным осадком.
Площадь контактной камеры хлопьеобразования следует определять по удельной
нагрузке в расчете на площадь зеркала воды. В качестве загрузки контактных камер
хлопьеобразования следует использовать пенополистирол, разрешенных марок для
контакта с питьевой водой (ПСВ и ПСБ) или другие аналогичные материалы.
2ч 3 4 5
охш]
Г
Кч^ \_fi
Рис. 13Л. Вертикальный отстойник с контактной
камерой хлопьеобразования:
1 - отвод отстоянной воды; 2 - подача исходной воды;
3 - контактная камера хлопьеобразования; 4 - верхняя
решетка; 5 - плавающая загрузка; 6 - нижняя решетка;
7 - удаление осадка
Расчет контактной камеры аналогичен расчету крупнозернистых фильтров. При
этом промывку гранул предусматривают без расширения фильтрующего слоя.
189

13.5. Флотаторы
Сущность процесса флотационного выделения из воды дисперсионных примесей
заключается в слипании взвешенных веществ в воде частиц и пузырьков
тонкодисперсного в воде воздуха под действием молекулярных сил. В результате этого на
поверхности воды образуется пенный слой, насыщенный извлекаемыми примесями с размерами
от 10-3 до 10' см. Интенсификация процесса флотации достигается понижением
смачиваемости поверхности извлекаемых частиц с помощью флотореагентов, избирательно
сорбирующихся на их поверхности. Эффективность процесса флотации в общем случае
зависит от рН растворов, присутствуя в них электролитов, наличия органических
примесей, темпера1уры воды, параметров диспергированного воздуха (диаметра и заряда
пузырьков воздуха, скорости его подачи во флотокамеры и пр.).
Известны установки для напорной флотации, флотаторы с механическим
диспергированием воздуха, электрокоагуляционно-флотационные установки (рис. 13.32-13.35).
Установки, в которых газовые пузьфьки образуются за счет перепада давления,
подразделяются на напорные и вакуумные. В напорных флотационных установках в воду,
поступающую на очистку вводятся реагенты, образующие поверхиостно-а1сгивные
комплексы с извлекаемыми примесями и воздух. Последний растворяют в напорном
резервуаре или вводят в рециркулирующую часть воды после флотации. Во флотационной
камере флотируемые вещества всплывают, а осевшие частицы в виде осадка
скапливаются на дне камеры.
В вакуумных флотаторах вместо компрессора применяют эжекторы для подсоса
воздуха в обрабатываемую воду, работающие за счет перепада давления воды до и
после эжектора.
Объем флотационных камер при напорной флотации определяется по формуле:
W^^=Q-t,u^ A3.144)
где Q - расход обрабатываемой воды, м^/ч; / = 20-30 минут - продолжительность
флотации.
Расчетная глубина воды в камере принимается равной
Л = 1,1-Л,„ A3.145)
где Aj.„ = 1,5-3,0 м - статический столб воды в камере.
На станциях средней и большой производительности (> 10 тыс. м^/сут) ширину
камер назначают в пределах 3-6 метров, длину - до 6-9 метров.
Во флотэторах с горизонтальным движением воды струенаправляемую
перегородку устанавливают под углом 60-70° к горизонтали в сторону движения воды. Скорость
движения воды над ней назначают в пределах 0,015...0,020 м/с.
Формирование мелких воздушных пузырьков и равномерное их рас1феделение в
объеме обрабатываемой воды достигают устройством перфорированной трубопровода с
размещением под ним кожуха. Диаметр отверстий в трубопроводе принимают равным 5-8 мм.
Скорость выхода водовозцушной смеси из отверстий принимают равной 20-25 м/с.
С помощью флотаторов воду освобождают ие тсикко от суспензированных твердых
примесей, но и от нефтеиродуктов, ПАВ, некоторых ионов растворенных в воде
соединений.
190

Шл^
Выпуск
PMC.13J2. Схема напорной флотацнн:
1 - приемный резервуар; 2 - всасывающий трубопровод; 3 - иасос; 4 - напорный бак; 5 - регулятор
давления; б - флотационная камера; 7 - поверхностные скребки
Рнс. 13 J3. Флотацнонная установка с диспергированием воздуха черех мелкопористые
фильтры:
1 - трубопровод подачи воздуха; 2 - фильтросные пластины; 3 - флотационная камера; 4 - скребок;
5 - шламопрнемник; 6 - регулятор уровня воды на выпуске.
Рис 13J4. Схемы
горизонтального электрофлотатора:
1 - впускная камера; 2 -
решетка-успокоитель; 3 - электрод-
~ пая система; 4 - регулятор
уровня на выпуске воды;
5 - скребки; 6 - шламоприем-
ник; 7 - регулятор отвода
шлама; 8 - выпуск осадка
Рис. 1335. Схема двухкамерной им-
пеллерной установки:
1 - отбойники; 2 - флотационная
камера; 3 - вал импеллера; 4 - воздушная
трубка; 5 - электродвигатель; 6 - пено-
сниматель; 7 - отверстия в статоре для
внутренней циркуляции воды; 8 -
статор; 9 - HMnej^ep; Ш - приемный
карман; 11 - выпускной карман
191

Орнентировочио, степень очистки воды флотацией, после нахождения
эмпирических параметров может быть определена по формуле:
Э = ^^^Ш% A3.146)
где Kq и Кобщ - соответственно концентрация частиц загрязнений в единице объема
исходной воды и оставшиеся во флотационой камере.
В механических импеллерных флотаторах введение в воду диспергированного
воздуха осуществляется турбиной насосного типа. Такие установки состоят из флотомашн-
ны, с турбиной и лопастными пеноснимателями, приемного и сборного резервуаров и
насосной станции для откачки воды и продуктов флотации.
При их расчете определяют:
- количество воздуха (Qgojd) ^^ воды (^^.засасываемой флото-турбиной:
е«,„=2,8-10-'-С.мЗ/с
где С = 40-50 мУм^-ч - удельный расход воздуха на едиинцу площади флотокамеры.
б«х)=МоЕ®ол/2^ .mVc
где Цо = 0,65 - коэффициент расхода отверстий; Icuq = 0,008-0,01 м^ - площадь
отверстий, через которые обрабатываемая вода поступает на турбину с напором Я, м.
Статический напор И^„,„, необходимый для преодоления столба жидкости над
турбиной, определяется по формуле:
Н =ф— A3.147)
где ф = 0,2-0,3 - коэффициент напора; и - окружная скорость, м/с.
Мощность на валу флотомашины при коэффициенте ее полезного действия
^tf=0,2-0,3 равна:
N = {y.^^-H,„,„ -(Q^+Q^j/lOlrx A3.148)
Количество потребляемого воздуха обычно составляет примерно ~ 5% расхода
очищаемой воды. Электродвигатель размещают во флотационной камере с пропуском вала
внутри воздушной трубы.
13.6. Отстойнлки
Отстойники предназначены для предварительной очистки воды от грубодисперс-
ных примесей и скоагулированной взвеси.
В практике водоподготовки используются горизонтальные, вертикальные,
радиальные и тонкослойные отстойники. Расчет отстойников необходимо производить для двух
периодов: минимадьной мутности при минимальном зимнем расходе и для наибольшей
мутности при наибольшем расходе воды, соответствующем этому периоду.
192

Расчет горизонтальных отстойников.
Горизонтальный отстойник (рис. 13.36) - прямоугольный, вытянутый в
направлении движения воды резервуар, в котором осветляемая вода вдоль отстойника движется
в направлении, близком к горизонтальному. Различают одно- и двухэтажные
горизонтальные отстойники. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при
мутности до 1500 мг/л и цветности до 120 град обрабатываемой воды и при пропускной
способности водоочистного комплекса свыше 30 тыс. м^/сут.
L
1
Н
|1
Рнс. 1336. Горизонтальный отстонннк:
1 - подача исходной воды; 2 - отвод
очищенной воды; 3 - отвод осадка; 4 -
распределительные карманы; 5 -
распределительные решепси; 6 - зона накопления
осадка; 7 - зона отстаивания
Суммарная площадь F,„ горизонтальных отстойников определяется по формуле:
^г.о=^об
,М2,
A3.149)
3,6-6^0
где q - расчетный расход воды, м^/ч; Ug - скорость выпадения взвеси, задерживаемой
отстойником (гидравлическая крупность), мм/с. При отсутствии данных лабораторных
исследований она принимается по табл. 13.16, а^^ - коэффициент объемного
использования отстойников, принимаемый равным 1,3.
Таблица 13.16
Характеристика обрабатываемой воды
и способ обработки
Маломутные цветные воды,
обрабатываемые коагулянтом
Воды средней мутности, обрабатываемые
коагулянтом
Мутные воды, обрабатываемые:
коагулянтом
флокулянтом
Мутные воды, не обрабатываемые коагулянтом
Скорость выпадения
взвеси Uq , задерживаемой
отстойниками, мм/с
0,354-0,45
0,45+0,5
0,54-0,6
0,2-^0,3
0,08-5-0,15
Длина отстойника L определяется по формуле:
A3.150)
где Н^р - средняя высота зоны осаждения, принимаемая равной 33,5 м в зависимости
от высотной схемы станции; v^p - расчетная скорость горизонтального движения воды в
начале отстойника, принимаемая равной 6-г8, 7-i-lO и 9-^12 мм/с соответственно для вод
маломутных, средней мутности и мутных.
7 - 9858
193

Ширина отстойника Bq определяется по формуле:
F
A3.151)
Сбор осветленной воды производят системой горизонтально расположенных труб
или желобов с затопленными отверстиями или треугольными водосливами. Скорость
движения осветленной воды в конце желобов и труб принимают 0,6-0,8 м/с, в отверстиях -
1 м/с. Отверстия в желобе располагают на 5-8 см выше дна желоба, а в трубах -
горизонтальных по оси. Расстояние между осями труб или желобов принимают не более 3 м.
Удаление осадка из отстойника рекомендуется производить гидравлическим
способом, по возможности без выключения отстойника из работы. Средняя концентрация
взвешенных веществ в воде, поступающей в отстойник, ориентировочно определяется
по формуле:
С^^ =M-t-A;-D,+0,25-Д + В„,мг/л, A3.152)
где М - количество взвешенных веществ в исходной воде, мг/л; к - переводной
коэффициент, принимаемый для очищенного сернокислого алюминия равным 0,55, для
неочищенного - 1,2 для хлорного железа - 0,7; Dj^ - доза коагулянта по безводному продукту,
мг/л; Ц - цветность исходной воды в градусах; В„ - количество нерастворимых в воде
взвешенных веществ, вносимых вместе с известью, мг/л; величина В„ определяется по
формуле:
5„=Д«/^.-Д«.мг/л, A3.153)
где к„ - долевое содержание СаО в извести; Д^ - доза извести по СаО, мг/л.
Объем зоны накопления и уплотнения осадка определяется по формуле:
24о-(С -т)-Т
W = 1-1^ — ,н\
N•6
A3.154)
где q - расчетный расход воды, м^ч; С^р - средняя концентрация взвеси, мг/л; т -
количество взвеси в воде на выходе из отстойника, мг/л; Г- продолжительность работы
отстойника между чистками в сутках; принимается не менее 12 часов; /V- число коридоров, шт.;
6 - средняя концентрация уплотненного осадка, г/м^, принимаемая по табл. 13.17.
Таблица 13.17
194
Мутность
исхолной
воды, мг/л
До 50
Св. 50 до 100
Св. 100 до 400
Св. 400 до 1000
Св. 1000 до 1500
Св. 1500
Св. 1500
Применяемые
реагенты
Коагулянт
Коагулянт
Коагулянт
Коагулянт
Коагулянт
Флокулянт
Без реагентов
Средняя по высоте осадочной части отстойника
концентрация твердой фазы в осадке, г/м',
при интервалах между сбросами осадка, ч
6
9000
12000
20000
35000
80000
90000
200000
12
12000
16000
32000
50000
100000
140000
250000
24 и более
15000
20000
40000
60000
120000
160000
300000

Расход воды, сбрасываемый с осадком по дырчатой трубе, уложенной в каждом из
коридоров отстойника, определяется по формуле:
■N
Нос
к,-к,.
24-q-T
100 .%.
A3.155)
где кр - коэффициент разбавления осадка, принимаемый: 1,5 - при гидравлическом
удалении осадка; 1,2 - при механическом удалении осадка; 2-3 - при напорном смыве осадка.
Расчет вертикальных отстойников.
Вертикальный отстойник (рис. 13.37) представляет собой круглый в плане
резервуар диаметром 510 м, глубиной до 7 м, оборудованный камерой хлопьеобразования во-
доворотного типа и конусным днищем для накопления и уплотнения осадка.
Рис. 1337. Вертикальный отстойник:
1 - камера хлопьеобразования вертикального
типа; 2 - сегиерово колесо с насадками; 3 -
гаситель; 4 - подача исходной воды (из смесителя);
5 - сборный желоб; 6 - труба для отвода осадка;
7 - отвод осветленной воды
а=50-55°
Площадь зоны осаждения вертикального отстойника определяется по формуле:
F = -
Кб-Я
3,6-Vp-Np
,М2,
A3.156)
где q - расчетный расход воды, м^/ч; Vp - расчетная скорость восходящего потока,
Vp=0,08-0,6 мм/с; принимается при отсутствии данных технологических изысканий не
более указанных величин скоростей выпадения взвеси Ug; N^ - количество рабочих
отстойников; Роб - коэффициент, учитывающий объемное использование отстойника,
величина которого принимается 1,3-г1,5 (нижний предел - при отношении диаметра к
высоте отстойника равном 1, верхний - при отношении равном 1,5).
При количестве отстойников менее 6 следует предусматривать 1 резервный.
Площадь камеры хлопьеобразования находится по формуле:
qt
Л =
60-я,-Л^
,м2,
A3.157)
где / - время пребывания воды в камере A5-20 мин.); Я, - высота камеры реакции, м;
Н^=0,9Но, где Hq - высота зоны осаждения вертикального отстойника (Ид=45 м); N -
число камер хлопьеобразования; Л' = Np.
Общая площадь отстойника определяется по формуле:
7« 195

Диаметр отстойника определяется по формуле:
/)^2-J-2^ ,м. A3.159)
Л
Отношение D/H для вертикального отстойника должно быть в пределах A,0+1,5).
Высота конической части отстойника определяется по формуле:
D-d
h^= ,м, A3.160)
* 2-c/g(90-a)
где d - диаметр нижней части конического дна, м, принимаемый равным диаметру
трубы для удаления осадка из отстойника A50+200 мм); а - угол наклона стен конической
(осадочной) части вертикального отстойника, принимаемый равным 50+55°.
Объем юничесюй части отстойника определяется по формуле:
W.=f^
, +
^V Dd
+
,мЗ. A3.161)
Период работы отстойника между сбросами осадка определяется по формуле:
W -N -5
где б - средняя по всей высоте осадочной части юнцентрация твердой фазы осадка, г/мЗ,
в зависимости от мутности воды и продолжительности интервалов между сбросами
принимается по табл. 13.17; Qg - концентрация взвешенных веществ в воде, г/м^,
поступающих в отстойник, определяемая по формуле 13.152 для горизонтальных
отстойников; М^д - мутность воды, выходящей из отстойника, г/м^, принимаемая от 8 до 15 г/м^.
Расход воды при сбросе осадка из отстойниюв определяется по формуле:
Яо.= \^^1т'-^^^ .%, A3.163)
где Кр - коэффициент разбавления осадка, принимаемый в пределах 1,2-1,5.
Среднюю концентрацию уплотненного осадка в отстойниках первой ступени
очистки следует принимать 150+160 г/л.
Расчет радиальных отстойников.
Радиальный отстойник (рис. 13.38) - круглый в плане железобетонный резервуар,
высота которого невелика по сравнению с его диаметром. Вода в отстойнике движется
от центра к периферии в радиальном направлении, близком к горизонтальному.
Радиальные отстойники рекомендуется использовать при обработке высокомутных вод и в
оборотном водоснабжении.
Для интенсификации процессов отстаивания в зоне осветления воды иногда
устраивают спиралеобразные камеры (перегородки), позволяющие уменьшать скорости
движения влды от начала выпуска до периферийных сборных желобов.
196

Требуемый процент задержания взвеси отстойником можно рассчитать по формуле:
,%, A3.164)
P.Mz^.m ..
м
где М - мутность исходной воды, мг/л; Л/д - требуемая мутность воды после
отстаивания, мг/л.
Площадь радиального отстойника в плане определяется по формуле:
F = 0,2
+ / .М2,
A3.165)
где q - расчетный расход воды, mV4; Uq - скорость выпадения взвеси, принимаемая
0,5-0,6 мм/с;/- площадь вихревой зоны радиального отстойника, радиус которой на 1 м
больше радиуса распределительного устройства, м^.
R \ 3
Рис. 13.38. Радиальный отстойник:
1 - центральная подающая труба; 2 - приямок для сбора и удаления осадка; 3 - сборный желоб
для сбора осветленной воды; 4 - отвод осветленной воды; 5 - скребок; 6 - ферма; 7 - решетки
центрального распределительного устройства
Низ распределительного устройства делается глухим, его верх должен бьггь на
глубине, равной высоте слоя воды у периферийной стенки; радиус его следует принимать
равным 1,5+2,5 м.
Внутренний радиус отстойника определяем по формуле:
/? = J— ,м, A3.166)
где F - площадь радиадьного отстойника, м^.
Глубина отстойника в центрадьной части определяется по формуле:
H^=h„+R-i ,^, A3.167)
где h„ - глубина отстойника у периферийного водосборного желоба, принимаемая
равной 1,2+1,3 м; Л - радиус отстойника, м; (- уклон дна отстойника от периферии к
центру, равный 0,04+0,05.
197

Боковая поверхность водораспределительного цилиндра определяется по формуле:
F^=n-d-H^,^\ A3.168)
где i/ - заглубление цилиндрической дырчатой перегородки, равное глубине отстойника
у периферии {h„)y м; Н^ - глубина отстойника в центральной части, м.
Суммарная площадь отверстий на боковой поверхности водораспределительного
цилиндра определяется по формуле:
^о=^/^о,м2, A3.169)
где vg - рекомендуемая скорость движения воды через отверстия диаметром 40+50 мм,
равная 1 м/с.
Необходимое количество отверстий в боковой поверхности
водораспределительного цилиндра определяется по формуле:
"o=TjfoUo ,шт., A3.170)
где/о - площадь одного отверстия, м^; Ifg - суммарная площадь отверстий, м^.
Расстояние между осями отверстий в вертикальных рядах определяется по формуле:
^«рт.=^р^"р .ММ, A3.171)
где h„ - глубина отстойника у периферии, мм; Пр - количество вертикальных рядов
отверстий, принимаемое равным 12.
Длина окружности цилиндра определяется по формуле:
/о=2-Я-Г., .м, A3.172)
где Гд J - радиус вихревой зоны отстойника, м.
Расстояние между осями отверстий в горизонтальных рядах определяют по формуле:
^гор. =^0— ,ММ, A3.173)
«О
Сбор осветленной воды в зоне осветления надлежит предусматривать желобами с
треугольными водосливами высотой 40-^60 мм, при расстоянии между осями
водосливов - 100-Т-150 мм и угле между кромками водослива 60°. Расчетная скорость движения
воды в желобах 0,5-!-0,6 м/с.
Расчет тонкослойных отстойников.
Тонкослойные отстойники (рис. 13.39) - представляют собой модули различных
конструкций с близко расположенными друг к другу полками, на которых оседает
взвесь. Глубина осаждения в таких конструкциях не превышает 70+100 мм.
198

NH
Рнс. 13J9. Схемы тонкослойных отстойников:
а - противоточная, б - прямоточная, в - перекрестная. 1 - подача исходной воды;
2 - отвод осветленной воды с противоположного от ввода кармана; 3 - тонкослойные модули,
4 - трубопровод удаления осадка, 5 - отвод нефтепродуктов и взвеси с р < 1 т/м'
Расчет тонкослойных отстойников заключается в определении геометрических
размеров элементов отстойника при заданных гидравлических нагрузках, качестве
исходной воды и требуемой степени очистки. Гидравлическая нагрузка (q), характеризуемая
удельным расходом, измеряемым в м^/чм^, или скоростью потока (v) в тонкослойных
модулях, измеряемой в м/ч, устанавливается в результате технологических
экспериментов. На практике значения последней при безреагентном отстаивании принимаются в
пределах от 0,6+1,5 м/ч (для маломутных цветных вод) до 1,5-т-2,5 м/ч (для мутных вод).
По принятым значениям скоростей потока в тонкослойных ячейках и соотношению
между шириной (В) и высотой (Я) прямоугольной ячейки 5/Я= 1-7-20 (при Н= 6+20 см)
определяют:
удельную нагрузку на ячейку по осветляемой воде (м'/ч):
A3.174)
Чуд=^ср-В-Н,
общее количество ячеек:
n = Qlq,,,
A3.175)
где Q - расчетный расход воды, поступающей на тонкослойный отстойник, м'/ч.
Длину зоны отстаивания L (м) при торцевом впуске воды в ячейку определяют по
формуле:
L =v -Т
т max
A3.176)
При боковом впуске воды в ячейку - по формуле:
Le =
В
B/ga) + v„
A3.177)
где а = 30-г60° - угол наклона пластии(или трубок).
Продолжительность отстаивания воды в модулях зависит от гидравлической
крупности частиц взвеси в исходной воде, глубины осаждения и угла наклона пластин.
Объем иловой части отстойника, куда сползает и где уплотняется осадок (м^), определяют
по формуле:
199

to с
W = ^'' , A3.178)
ос ^
где С, C^ - концентрации взвеси в исходной воде и осадка соответственно, г/м^; / -
продолжительность уплотнения осадка, ч.
13.7. Осветлители со взвешенным осадком
Осветлители со взвешенным осадком используются для удаления из воды
коллоидных и взвешенных примесей после обработки воды коагулянтами и флокулянтами.
Применение осветлителей вертикального типа со взвешенным осадком наиболее
целесообразно на водоочистных станциях с производительностью не менее 5000 м^/сут
для осветления и обесцвечивания воды с содержанием взвешенных веществ до 2500
мг/л и любой цветностью.
В основу работы осветлителей положен принцип контактной коагуляции в слое
взвешенного осадка. При поддержании определенной скорости восходящего потока
воды @,5-5-1,2 мм/с) формируется слой взвешенного осадка из скоагулированной взвеси в
виде мелких хлопьев. Этот слой играет роль фильтра, способствуя лучшему осветлению
воды и обесцвечиванию за счет более полного использования адсорбционной емкости
хлопьев.
По месту расположения осадкоуплотнителей различают осветлители с
вертикальными, поддонными осадкоуплотнителями и осадкоуплотнителями в нижней части
зоны осветления. Они выполняются открытыми или напорными.
Рассмотрим расчет коридорного осветлителя со взвешенным осадком с
вертикальным осадкоуплотнителем (рис. 13.40). Расчет ведется для двух периодов года.
Среднюю концентрацию взвешенных веществ в воде, поступающей на осветлитель
определяют по формуле;
С^р=М + к,-Д,+ 0,25 -Ц + В^ , мг/л, A3.179)
где М - мутность исходной воды, мг/л; <:^ - переводной коэффициент, равный для
очищенного сернокислого алюминия 0,5; для неочищенного сернокислого алюминия 1; для
нефелинового коагулянта 1,2; для хлорного железа 0,7; Д^ - доза коагулянта в пересчете
на безводный продукт, мг/л; Ц - цветность исходной воды, град; fi„ - количество
нерастворимых веществ, вводимых с известью, мг/л; которое определяется по формуле:
5„=Д„/^„-Д, ,мг/л, A3.180)
где к^ - долевое содержание СаО в извести; Д^ - доза извести по СаО, мг/л.
Общую площадь осветлителя определяют по формуле:
Р' = Р'осе+Р'отЗ ,М\ A3.181)
где F^g- площадь зоны осветления, м^; F„„^ - площадь зоны отделения осадка, м^.
200

Рис. 13.40. Коридорный осветлитель со
взвешенным осадком с вертикальным
осадкоуплотнителем:
1 - коридоры-осветлители; 2 - осадкоуп-
лотнитель; 3 - подача исходной воды;
4 - сборные карманы для отвода
осветленной воды; 5 - отвод осадка из осадкоуплот-
иителя; 6 - отвод осветленной воды из
осадкоуплотиителя; 7 - осадкоприемиые
окна с козырьками
Площадь одного осветлителя в плане не должна превышать 100ч-150 м^. В
зависимости от этого принимается расчетное количество осветлителей.
F„„ = •
р.в.
3.6v„
F =■
3,6v_
A3.182)
A3.183)
где Kpg - коэффициент распределения воды между зонами осветления и отделения
осадка, принимаемый по табл. 13.18.
Площадь каждого из двух коридоров осветлителя определяется по формуле:
F
0С6
кор
2-N '
A3.184)
где Л^- количество осветлителей, шт.
Ширина коридора В^^р принимается в соответствии с шагом балок C и 6 м). Зная
ширину и площадь коридора можно определить его длину l^^p.
Площадь осадкоуплотиителя определяется по формуле:
f
0-У ~ XT ' М
A3.185)
Таблица 13. If
Значения коэффициента распределения воды между зонами осветления и отделения осадка
Мутность воды,
поступающей в
осветлитель, мг/л
От 50 до 100
100-400
400-1000
100-1500
Скорость восходящего потока в зоне
осветления Vx, мм/с
в зимний период
0,5-0,6
0,6-0,8
0,8-1,0
1,0-1,2
в летний преиод
0,7-0,8
0,8-1,0
1,0-1,1
1,1-1,2
Коэффициент
распределения
воды, Кр
0,7-0,8
0,8-0,7
0,7-0,65
0,65-0,6
201

Ширину осадкоуплотнителя - b^y определяют исходя из его площадиу^^, и длины
коридора 1,^р.
Объем зоны накопления и уплотнения осадка определяется по формуле:
^д-т-(с,-м^) ^, ,3,86)
где q - часовой расход воды, м^/час; Т - время уплотнения осадка, час (принимается в
пределах 2ч-6 ч); С^ - содержание взвешенных веществ, поступающих с водой в
осветлитель, мг/л; Мдсв - мутность воды, выходящей после осветлителя, принимается равной
8-г15 мг/л; 5 - средняя концентрация осадка в осадкоуплотнителе, мг/л, принимаемая
по табл. 13.17.
Удаление осадка следует производить без остановки осветлителя с помощью дыр-
чаггых труб, расположенных по продольной оси дна осадкоуплотнителя.
Расход, пропускаемый через каждую осадкосбросную трубу, определяется по
формуле:
W
где t - время отведения накопившегося осадка (не более 15^20 мин), час.
При скорости движения разбавленного осадка в трубе v и расходе Qocod* можно
определить диаметр осадкосбросной трубы. Скорость в дырчатых отверстиях трубы v,,
должна быть не более 3 м/сек, скорость движения разбавленного осадка в трубах -1 м/с.
Диаметр одного отверстия в трубах принимается не менее 20 мм, расстояния между
отверстиями - 300...500 мм.
Общая площадь всех отверстий определяется по формуле:
л^осад
Z/o
Vo
,м2. A3.188)
Зная общую площадь отверстий и площадь одного отверстия, определяют их
количество.
Относительный расход сбрасываемой с осадком воды (в % от общего расхода)
определяется по формуле:
К -W
Р = -^-^-Ш,%, A3.189)
где Кр - коэффициент разбавления осадка, принимаемый равным 1,2-2,5.
Подача воды в осветлитель осуществляется с помощью телескопического
дырчатого коллектора, диаметр которого определяется исходя из расхода воды в одном
коридоре осветлителе и скорости движения воды на входе в коллектор (равный 0,5-0,6 м/с).
Отверстия в коллекторе принимаются диаметром не менее 15-25 мм и располагаются в
нижней части трубы под углом 45° к ее оси.
Скорость выхода воды из отверстий 1,5-2,0 м/с.
Зная скорость выхода из отверстий - vg, м/с и расход воды в одном коллекторе - q,^,
м^/с, можно определить общую площадь всех отверстий:
202

q
/о=-^,м2. A3.190)
Количество отверстий определяется по формуле:
Л = -^,ц1т., A3.191)
/о
тт/'о - площадь одного отверстия, м^.
Сбор осветленной воды в коридорах осветлителя осуществляется водосборными
желобами с затопленными отверстиями.
Расход воды в одном желобе определяется по формуле:
K-q
Яж=-^ ,мЗ/ч, A3.192)
где К = 0,6-0,8 - коэффициент распределения воды.
Ширина желоба определяется по формуле:
b^=0,9q^ ,м, A3.193)
где д^^ - секундный расход воды в одном желобе, м^/с.
Площадь живого сечения желоба определим по формуле:
Г= ^^ ,м2, A3.194)
^ 3600V
где qj^ - расход воды в одном желобе, м^/ч; v - скорость движения воды в желобе
(принимается 0,5-0,6 м/с).
Высоту слоя воды в желобе определяется по формуле:
/
Л = -Г^,м. A3.195)
Для отвода избыточного осадка из зоны осветления в осадкоуплотнитель служат
осадкоприемные окна, площадь которых с каждой стороны осадкоуплотнителя
определяется по скорости движения в них воды с осадком и расходу, определяемому по
формуле:
9„с=^Ц^.м^/ч, A3.196)
где К=0,6-0,8 - коэффициент распределения воды между зоной осветления и осадкоуп-
лотнителем.
Площадь осадкоприемных окон с каждой стороны определяется по формуле:
f^^=io^,M\ A3.197)
v..
где Vo;,=10-15 мм/с - скорость движения воды с осадком;
203

Общая длина окон с каждой стороны осадкоуплотнителя определяется по формуле:
J OK
L=-
,м,
A3.198)
где hoif- высота окон, принимаемая равной 0,1-0,3 м.
Приняв число окон, определяют размеры каждого окна и расстояния между ними.
Полная высота осветлителя определяется по формуле:
и ^
IF
A3.199)
A3.200)
где W - объем воды, накапливаемый за время промывки одного фильтра, м^; IF -
суммарная площадь осветлителей; h^^p„ - высота зоны взвешенного осадка выше
перехода наклонных стенок осветлителя в вертикальные, м; hggp„=\,Q-\,5 м (большие
значения для цветных вод, меньшие - для мутных). Высота пирамидальной части
осветлителя определяется по формуле:
/?„.„ =
пир
2-tg(a/2)
,м,
A3.201)
где а - ширина коридора понизу (под распределительным коллектором), а=0,-0,5 м;
а - угол между наклонными стенками нижней зоны взвешенного осадка; а=60-70°;
^кор ~ ширина коридора поверху, м.
Сбор осветленной воды из верхней части осадкоуплотнителя осуществляется с
помощью дырчатых труб, располагаемых на 30 см ниже поверхности воды в осветлителе.
При малом содержании в воде механических примесей, плотность и скорость
осаждения взвеси контактной среды значительно уменьшаются. Это отрицательно
сказывается на эффективности и технико-экономических показателях осветлителей.
Одним из путей интенсификации работы осветлителей в таких случаях является
рециркуляция их осадка.
Устройство для рециркуляции осадка в осветлителе 1ДШИ-3 с помошью эжектора
показано на рис. 13.41. В современных осветлителях рециркуляторы располагаются в
зонах осветления и работают за счёт небольшого перепада давления над и под рецирку-
лятором.
Рис. 13.41. Устройство для рециркуляции осадка
в осветлителе:
1 - подвод исходной воды; 2 - эжектор{или вставка
Вентури); 3 - осветлитель; 4 - коническое дно осад-
коуплотнителя;5 - подвод исходной воды.

Осадок вводят в очищаемую воду до или после подачи в нее раствора коагулянта.
При расчете эжектирующих устройств, которые могут быть устроены как на
трубопроводах подвода коагулянта, так и внутри коридорного осветлителя в зонах
образования взвешенного слоя, скорость движения воды с осадком между осадкоуплотнителем
и эжектирующим устройством принимают равным 0,8-1,0 м/с, скорость движения воды
в магистрали, на которой смонтирован эжектор - 1,5 м/с, максимальная скорость
движения воды в зжектирующем устройстве - до 6-10 м/с. Дополнительные потери напора в
схеме с зжектирующей шайбой составляют ~ 8-10 м, с трубой Вентури - 1,5-2,0 м.
13.8. Фильтровальные сооружения с тяжелой зернистой загрузкой
Классификация фильтров. Подбор фильтрующих материалов.
Одним из методов очистки воды от взвешенных и коллоидных примесей является
ее фильтрование через пористую зернистую среду. Фильтровальные сооружения могут
применяться как в качестве доочистки воды после отстойников или осветлителей со
взвешенным осадком, так и как самостоятельные сооружения.
Физико-химическая сущность реагентного осветления и обесцвечивания воды в
процессе фильтрования заключается в адгезии (прилипании) взвешенных и коллоидных
частиц к поверхности зерен фильтрующего материала или к ранее прилипшим
частицам. Осадок, образовавшийся в порах загрузки, имеет непрочную структуру,
разрушающуюся под действием гидродинамических сил потока. В каждом элементарном слое
загрузки осветление воды происходит до тех пор, пока силы отрыва частиц не начинают
превалировать над силами адгезии и аутогезии (взаимодействия между частицами в
прилипшем слое). Оторвавшиеся частицы осадка переносятся в последующие слои и
там задерживаются.
Кроме осветления поверхностных вод, с помощью зернистых фильтров
осуществляют обезжелезивание, умягчение (ионообменные зернистые фильтрующие
материалы), фторирование (флюоритовый песок), обесфторирование (гранулированные окислы
алюминия), стабилизацию воды (мраморная крошка).
В зависимости от природы и типа фильтрующего слоя различают следующие виды
фильтров: зернистые (фильтрующий слой - кварцевый песок, дробленый антрацит,
керамзит, пенополистирол, иониты, сорбенты, магномасса и др.); сетчатые (фильтрующий
слой - сетка с размером ячеек 20-60 мкм); тканевые (фильтрующий слой -
хлопчатобумажные, льняные, суконные, стеклянные или капроновые ткани); намывные
(фильтрующий слой - древесная мука, диатомит, асбестовая крошка и другие материалы,
намываемые в виде тонкого слоя на каркас из пористой керамики, металлической сетки или
синтетической ткани).
Зернистые фильтры применяют для очистки хозяйственно-питьевой и технической
воды, от тонкодисперсиой взвеси и коллоидов; сетчатые - для задержания грубодис-
персных взвешенных и плавающих частичек; тканевые - в полевом водоснабжении;
намывные - для очистки маломутных вод на станциях небольшой производительности
(для поселков, плавательных бассейнов и т.д.).
Для очистки воды в коммунальном и промышленном водоснабжении наиболее
широко применяются зернистые фильтры. По скорости фильтрования их разделяют на
медленные (скорость фильтрования 0,1-0,2 м/ч), полускорые @,2-5,0 м/ч), скорые
E,0-15 м/ч) и сверхскорые (> 15-25 м/ч).
205

в зависимости от крупности зерен фильтрующего слоя зернистые фильтры
разделяют на мелкозернистые (например, медленные фильтры с размером зерен верхнего
слоя песка 0,3-И),5 мм), среднезернистые (например, скорые фильтры с размером зерен
верхнего слоя песка 0,5-!-0,8 мм) и крупнозернистые (в частности, предварительные
фильтры с размером зерен верхнего слоя песка 1-2,5 мм).
Если загрузка фильтрующего слоя однородна по плотности и отличается только
крупностью зерен, то такие типы фильтров называются однослойными (например,
скорые фильтры с загрузкой из кварцевого песка). Фильтры, загруженные неоднородной
загрузкой по плотности и размеру зерен, называются многослойными (например,
двухслойные скорые фильтры, в которых нижний слой - кварцевый песок, верхний -
антрацит).
По направлению движения потока воды при фильтровании зернистые фильтры
бывают одно- и многопоточные, с вертикальным, горизонтальным и радиальным
направлением потока воды.
В зависимости от обеспечения напора, создаваемого после очистки, фильтры
классифицируются как безнапорные, напорные и комбинированные.
По виду загрузок бывают фильтры с тяжелыми зернистыми (плотность зерен
которых больше плотности воды) и с плавающими загрузками, которые способны пребывать
неограниченное время в воде в плавающем состоянии.
К первым относятся фильтры с кварцевой и антрацитовой загрузкой, с загрузками
из дробленого и недробленого керамзита, горелых пород, вулканических шлаков,
активированного угля, мраморной крошки, ионообменных природньк и искусственных
зернистых материалов.
Ко второй группе относятся фильтры с гранулированной пенополистнрольной, пе-
нополиуретановой, фторопластовой и др. загрузками. В качестве плавающих или
полуплавающих фильтрующих материалов могут также применяться замкнутоячеистые
водонепроницаемые гранулы шунгизита, редоксида, стеклопора, гранулированных
шлаков, дробленые отходы от пенопластовьк плит и им подобные.
Характеристики фильтрующих слоев с полностью больше плотности воды,
приведены в табл. 13.18-13.20.
Крупнозернистые (грубозернистые фильтры) используют при частичном
осветлении воды, предназначенной для технических целей, если мутность воды в источнике
водоснабжения не превышает 150 мг/л. Они задерживают до 50-60% содержащихся в
воде взвешенных веществ. Основное их назначение заключается в задержании взвеси
крупнее 0,05 мм, способной осаждаться в зонах охлаждающих систем с пониженными
скоростями движения воды.
Крупнозернистые фильтры проектируют напорными или открытыми. Напорные
крупнозернистые фильтры следует рассчитывать на предельную потерю напора в
фильтрующей загрузке и дренаже до 15 м, открытые - 3-3,5 м. В открытых фильтрах
необходимо предусматривать слой воды над уровнем загрузки 1,5 -2 м.
Как загруз1^ для фильтров используют песок, дробленый антрацит или другие
зернистые материалы с соответствующей механической прочностью и химической
стойкостью. Расчетные скорости фильтрования, необходимая интенсивность для их промывки
и другие технологические параметры работы фильтров приведены в таблицах 13.21,
13.22.
206

а
Я
S
ё
B
о
X
X
V
ч
в
I
к
X
о.
I
к
Z
в
о
X
а
it
X
X
о.
а
S-
X
I'i
"=> —
а. .а
о о о
S; i
=1
о о. "=
•*' S а.
Г^ о' —
о о
•о ^-
о
н
а.
<
СО
X
а.
Н
с;
S
е
X
t
<
со
<
X
I
3 3 ;
3
(S -е-
111Д
11
И
S
oi sо
jl
X p.
«4
I
cs s
fi_
8
a*
2 ^
is 2
< я
i
5 -e- s
s
X
и
2
i
о
§
X
g
H
и
и
и
и
=f
а
и
ST-
2
S
8.
с
се
У.
S
■6
U
о.
S
g
X
г
о
S
S
X
о
Э-5
U1
§
•е-
S
S3
а
о
а
и
1>
2
X
н
!■;
се
CL,
§
«
о
Э-
ш
5
SS
t^
S
о
щ
о
2
о
U
о,
^
X
§
и
ч
о
й
се
X
X
2
X
X
и
X
ч
о
с
2
207

Расчет желобов и сборных каналов в открытых предварительных фильтрах проиа-
водят так же, как и для скорых фильтров. Промывку крупнозернистых фильтров
проектируют водовоздушной, распределительные системы для воды и воздуха делают
раздельными или объединенными в соответствии с рекомендациями для скорых фильтров.
Устройства для подачи и отвода промывной воды должны обеспечивать слудующий
режим: взрыхление фильтрующей загрузки водой с интенсивностью 6-8 л/(см2) - 1 мин,
водовоздушная промывка с интенсивностью 3-4 лУ(см2) воды и 15-25 л/(см2) воздуха-
5 мин, отмывка водой и гидравлическая сортировка фильтрующей загрузки с
интенсивностью подачи воды 6-8 л/(см2) - 2 мин.
Площадь крупнозернистых фильтров F рассчитывают по формуле:
F = -
Q
г • V - 3,6 • и • (со, • /| + ©2 • /2 + ^3 • /3) ■
n-t^-Vp
A3.202)
. р _,_ .. ^w| .| I W2 «2 ' ^ '3>
где Q - полезная производительность фильтров, м^/сут; Т- время работы станции в
течение суток, ч; Vp - расчетная скорость фильтрования, м/ч; п - количество промывок
всех фильтров в сутки; со,; /, - интенсивность в л/(см2) Ц продолжительность в ч
взрыхления фильтрующего слоя; со,; ^2 - интенсивность подачи воды в л/(см2) и
продолжительность в ч водовоздушной промывки; соз^ h ~ интенсивность в л/(см2) и
продолжительность в ч отмывки; /4 - время простоя фильтра в связи с промывкой в ч.
Скорые фильтры.
Вода, поступающая на скорые фильтры (рис. 13.42) после отстойников или
осветлителей со взвешенным осадком, не должна содержать взвешенных веществ более
12-25 мг/л, а после фильтрования мутность воды, предназначенной для хозяйственно-
питьевых нужд, не должна превышать 1,5 мг/л.
Фильтры и их коммуникации должны быть рассчитаны на работу при нормальном
и форсированном (часть фильтров находится в ремонте) режимах. На станциях с
количеством фильтров до 20 следует предусматривать возможность выключения на ремонт
одного фильтра, при большем количестве - двух фильтров.
8
Рис. 13.42. Схема скорого фильтра:
I - корпус; 2 - фильтрующая зафузка; 3 - отвод
фильтрата; 4 - подача исходной воды; 5 - отвод
промывной воды; 6 - нижняя дренажная система(НДС);
7 - поддерживающий слой; 8 - желоб для сбора
промывной воды; 9 - подача воды на промывку
нормальном и форсированных режимах при отсутст-
надлежит принимать согласно табл. 13.21 с учетом
работы фильтров между промывками, не менее: при
форсированном режиме -6 ч.
* (Ь ^СЬе - ,
7 6
Скорости фильтрования при
ВИИ технологических изысканий
обеспечения продолжительности
нормальном режиме - 8-12 ч, при
208

о
I
s
m
s
3 3 " -i*
£2 § "
ill
i
к
к
s
3
>.
1
с
S
s
&
\D W^ P- 00 ^ r^ 00
>n ^ r*^ vO w^ ^ <n
s:i-
1^ _ — (N
r^ w^ 00
о 'чО^и^ООи^ГЧ»/^»/^^^^
vf Ov •" •* . - -
^ ^ ^ ^ (^ f*^
00"".4C00O\^^>^r<lTt
■ o" Я o" — o" — (N —" — — 1^ _ m
^ '.;'.'.'.'.:'•'.'. '^ t^ •^
° i-^ ^ Tt" u-i vc d — <s — r<i o" o' o"
- =- cT - o' - - - - -
vj:^ t^ 00^ w-i
<N* — —* —
Ч. ^. '^. 
44^:: = 2^
Ч. *4 Ч.
ГЧ" (N* (n"
' (N ГЧ -^ — -^
О О О О
KTl KTl tTi КП
о' о" о" о"
»П W-1 <П 10 «'^ «'^ «П
о* о" о" о" о" о" о"
и о £ я.
I
I
к
с
а
о
5
а
о
о
S
3
2
>.
о.
н
е
о 5
II
о «о
00 00
I I
о m
oo_ >o^
— fs
I I
00 >0
о —
в
u
я ii
S 8
Ui с
«о о
о m
00_^ u-l^
—' rf
00 >A
о —'
209

Общую площадь ZF скорых фильтров следует определять по формуле:
Y,F = QI(J,„ -v, -Ъ,6п„^ -со-/, -п^ •/, -vj ,м2, A3.203)
где Q - полезная производительность станции, MVcyT; Т^„ - продолжительность работы
станции в течение суток, ч; v„ - расчетная скорость фильтрования при нормальном
режиме, м/ч, принимаемая по табл. 13.21; w„p - число промывок одного фильтра в сутки
при нормальном режиме эксплуатации (принимается 2-3); сз - интенсивность
промывки, mVm^, принимаемая по табл. 13.22 промывки фильтра в ч, 5-10 минут; ^2 - время
простоя фильтра в связи с промывкой, принимаемое для фильтров, промываемых водой -
0,33 ч, водой и воздухом - 0,5 ч.
Количество фильтров на станциях производительностью более 1600 MVcyr должно
быть не менее четырех. При производительности станции более 8-10 тыс.м^сут
количество фильтров ориентировочно можно определять с округлением до ближайших целых
чисел (четных или нечетных в зависимости от компоновки фильтров) по формуле:
Пф=--^ ■ A3.204)
При этом должно обеспечиваться соотношение:
V* = ■^н • "ф К^ф-^i) , м/ч, A3.205)
где Л^, - число фильтров, находящихся в ремонте; v^ - скорость фильтрования при
форсированном режиме, которая должна быть не более указанной в табл. 13.21.
Площадь одного фильтра надлежит принимать не более 100-120 м^.
Предельные потери напора в фильтре следует принимать для открытых фильтров -
до 3-3,5 м в зависимости от типа фильтра, для напорных фильтров - до 6-8 м.
Высота слоя воды над поверхностью загрузки в открытых фильтрах должна быть
не менее 2 м; превышение строительной высоты над расчетным уровнем воды - не
менее 0,5 м.
При выключении части фильтров на промывку скорость фильтрования на
остальных фильтрах надлежит принимать постоянной или повышающейся; при этом скорости
фильтрования не должны превышать величину v^, указанную в табл. 13.21.
При работе фильтров с постоянной скоростью фильтрования надлежит
предусматривать над нормальным уровнем воды в фильтрах, дополнительную высоту Н^„, м,
определяемую по формуле:
^^боп=^й1Т.^Ф , A3.206)
где Wq - объем воды, м^, накапливающийся за время простоя одновременно
промываемых фильтров; SF. - суммарная площадь фильтров, м^, в которых происходит
накопление воды.
Расход промывной воды, необходимый для промывки одного фильтра определяют
по формуле:
210

(N
I
I
S
•e
s
u
о
о.
о
о
с:
U
е
1
S
•е-
S
о.
X
о
U
о
U
U
2
>,
J3
S
•е-
со
S
= S >
й о *
о =
•е-
S U
S
S Я *
§SLJ
11-'
W-l W-l (N
Г-' On'
ЧО 00 2
■A <o
>4°r.
Ig
I
I; &
00^ V\ 0_
o" —" (n'
I I I
t-^ гл 00
о' —' —
0_ 00^ t-;
(n" —' —
I I I
00 ЧО W-l
00 о (N
o" — —
1 I I
t-^ 00 о
о' о' —"
■л t--_^ 00
о' о' о"
IS
■2
и о
я о
о. 1>
OS ~ —
00 >л о
Г^ ГЛ 00
о' — —
о_ оо_^ (-■_
00 О <N
о' —" —
I I I
г^ 00 о
о' о' —
>л г^ 00
о" о о'
)S
3
V
о
I
00
о'
г-
о'
IS
3
и о
я о
о. U
о
4
о
оо_^
I
ЧО
о'
00
о'
^1
S X
=* S
§.
S
X
sr
^^
5 S
•е- §
^ S
о S
X
S
sr
и
с<3
Си
I
а
§^
211

9„р=^0-Ю'^^'^'
A3.207)
где Рф - площадь одного фильтра, м^; со - интенсивность промывки, л/(см2),
принимаемая по табл. 13.22.
При форсированном режиме скорости движения воды в трубопроводе (подающем
и отводящем фильтрат) должны быть не более 1,5 м/с.
Крупность фракций и высоту поддерживающих слоев при распределительных
системах большого сопротивления следует принимать по табл. 13.23.
В дренажных трубах системы большого сопротивления следует предусматривать:
при наличии поддерживающих слоев - отверстия диаметром 10-12 мм, при их
отсутствии - щели шириной на 0,1 мм меньше минимального размера зерен фильтрующей
загрузки.
Таблица 13.22
Параметры прюмывки зафузки фильтров
Фильтры и их зафузка
Скорые с

однослойной
загрузкой

диаметром D,
мм:
0,7-0,8
0,8-1
1-1,2
Скорые с двухслойной
зафузкой
Интенсивность
промывки, л/(см^)
12-14
14-16
16-18
14-16

Продолжительность
промывки, мин
6-5
7-6
Величина
относительного
расширения зафузки, %
45
30
25
50
Таблица 13.23
Крупность зерен фавия или фаиитного щебня и высота поддерживающих слоев
Крупность зерен, мм
40-20
20-10
10-5
5-2
Высота слоя, мм
Верхняя граница слоя должна быть на уровне верха распр е-
делительиой трубы, но ие менее чем иа 100 мм выше отве р-
стий
100-150
100-150
50-100
Общая площадь отверстий в дренажной системе должна составлять 0,25-0,30 %
рабочей площади фильтра; площадь щелей - 1,5-2 % рабочей площади фильтра.
Отверстия надлежит располагать в два ряда в шахматном порядке под углом 45" к низу от вер)-
тикали. Щели должны размещаться равномерно по оси и по периметру трубы не менее
чем в два ряда. Расстояние между осями ответвлений следует принимать 250-350 мм,
между осями отверстий 150-200 мм, между щелями не менее 20 мм, от низа
ответвлений до дна фильтра 80-120 мм.
212

Потери напора в распределительной системе следует определять по формуле:
2 2
Л = С-^ + ^,м. A3.208)
где v^ - скорость в начале коллектора, м/с; Vgg - средняя скорость на входе в ответвления,
м/с; С, - коэффициент гидравлического сопротивления, принимаемый равным 1,55-2,0.
Общее число отверстий в дренажных трубах определяется по формуле:]
где Ifg - общая площадь отверстий, %; dg - диаметр одного отверстия, м.
Потери напора в поддерживающих слоях гравия определяют по формуле:
К.с^0,22-Н^^-(О ^ A3.210)
где Н^, - высота поддерживающего слоя (слоя гравия), м; со - интенсивность
промывки, л/(см2), принимаемая по табл. 13.22;
Потери напора в слое фильтрующей зернистой загрузки определяют по формуле:
V=(« + M^0,M, A3.211)
где Нф - высота фильтрующего слоя, м;аиЬ- параметры, соответственно равные: 0,76
и 0,017 для кварцевого песка с размером зерен 0,5-1 мм, 0,85 и 0,004 - для зерен 1-2 мм.
При использовании промывного насоса необходимый напор, развиваемый им
может быть найден по формуле:
ff.=z^-^..p+^+h„.c+hф,,+Y,h + l,5 .м, A3.212)
где z^ - отметка верхней кромки желобов фильтров, м; z - отметка нижнего уровня
воды в РЧВ, м; I.h - сумма потерь напора в трубопроводе, подводящем воду на
промывку для коллектора фильтра, м, h^ - потери напора в дренажной систем; фильтра, м.
Производительность промывного насоса определяется по формуле:
g„=F-Cuo-3,6,MV4. A3.213)
где F - площадь фильтра, м^; coq - интенсивность промывки в л/см^.
Кроме одного рабочего устанавливается один резервный насос.
При промывке фильтра от бака промывной башни отметка дна бака определяется
по формуле:
2^.6 =2^+^d+^«.c+V+Z^+^'^ .м- A3.214)
213

Насос для подачи воды в бак должен обеспечивать его пополнение за время между
промывками. Напор насоса поднимающего воду нз РЧВ в башню определяется по формуле:
^н = 2,.б - ^н.р + Е^пр . м. A3.215)
где Zg g - отметка верхнего уровня воды в баке, м; I.h„p - потери напора в трубопроводе
при восполнении промывного запаса воды в баке, м.
Потеря напора в распределительной системе при промывке фильтра не должна
превышать 7 м вод. ст.
Площадь поперечного сечения коллектора трубчатой распределительной системы
следует принимать постоянной по длине. Скорость движения воды в начале коллектора
0,8-1,2 м/с, в начале ответвлений 1,6-2 м/с.
Конструкция коллектора должна обеспечивать возможность укладки ответвлений
горизонтально и с одинаковым шагом.
Допускается применять распределительную систему без поддерживающих слоев в
виде каналов, располагаемых перпендикулярно коллектору (сбросному каналу) и
перекрываемых сверху полимербетонными плитами толщиной не менее 40 мм.
Распределительную систему с колпачками надлежит принимать при водяной и
воздушной промывке. Количество колпачков принимается до 35-50 шт. на квадратный метр
рабочей площади фильтра.
Потерю напора в щелевых колпачках следует определять по формуле:
и = г.— ,^, A3.216)
где С, - коэффициент сопротивления, принимаемый равным 4; v - скорость движения
воды или водовоздушной смеси в щелях колпачка, принимаемая равной не менее 1,5 м/с.
Для удаления ьоздуха из трубопровода, подающего воду на промывку фильтров,
следует предусматривать стояки-воздушники диаметром 75-150 мм с установкой на них
запорной арматуры или автоматических устройств для выпуска воздуха; на коллекторе
фильтрата надлежит также предусматривать стояки-воздушники диаметром 50-75 мм,
количество которых следует принимать при площади фильтра до 50 м^ - один, при
большей площади - два (в начале и конце коллектора), с установкой на стояках вентилей или
других устройств для выпуска воздуха.
Опорожнение фильтра необходимо предусматривать через распределительную
систему и отдельную спускную трубу диаметром 100-200 мм (в зависим эсти от площади
фильтра) с задвижкой.
Параметры промывки водой загрузки из кварцевого песка следует принимать по
табл. 13.22.
В условиях, когда водяной или водовоздушной промывки фильтрующего слоя в
восходящем потоке вода оказывается недостаточной, может быт предусмотрена
дополнительно верхняя промывка загрузки с помощью верхней неподвижной или
вращающейся системы дырчатых труб.
При неподвижном устройстве для дополнительной верхней промывки загрузки
интенсивность следует принимать 3-4 л/(см2), напор 30-40 м. Продолжительность промыв-
214

ки 5-8 мин, из них 2-3 мин до проведения нижней промывки. Распределительные трубы
следует располагать на расстоянии 60-80 мм от поверхности загрузки через каждые 700-
1000 мм. Расстояние между отверстиями в распределительных трубах или между
насадками необходимо принимать 80-100 мм. При вращающемся промывном устройстве
интенсивность промывки следует принимать 0,5-0,75 л/(см^), с напором 40-45 м.
При загрузке фильтров керамзитом интенсивности промывки следует принимать в
пределах 12-15 л/(см^) в зависимости от марки керамзита (большие интенсивности
относятся к керамзитам большей плотности).
Для сбора и отведения промывной воды следует предусматривать желоба
полукруглого или пятиугольного сечения (рис. 13.43). Расстояние между осями соседних
желобов должно быть должно быть не более 2,2 м.
X
X
\
< 2>
У
<1
X
X
у
У
( 2Х .
'
Площадь сечения
желоба Рж=4Х ^
Площадь сечения
желоба Рж=4,57Х ^
Рнс. 13.43. Сечение желобов различных конструкций
Ширину желоба В^„^ надлежит определять по формуле:
В^.. =К^
Чжея
Ч1,57 + а_)^
A3.217)
гае qij,^ - расход воды по желобу, mVc; о^^, - отношение высоты прямоугольной части
желоба к половине его ширины, принимаемое от 1 до 1,5; К^,,^ - коэффициент,
принимаемый равным: для желобов с полукруглым лотком - 2, для пятиугольных желобов - 2,1.
Кромки всех желобов должны быгь на одном уровне и строго горизонтальны.
Лотки желобов должны иметь уклон 0,01 к сборному каналу.
В фильтрах со сборным каналом расстояние от дна желоба до дна канала Я^„
следует определять по формуле:
ff^ = 1.733)
Ч каы
2
ком
g-B.
+ 0,2 ,м,
A3.218)
где q,^ - расход воды по каналу, mVc; В^„ - ширина канала, м, принимаемая не менее
0,7 м. Уровень воды в канале с учетом подпора, создаваемого трубопроводом,
отводящим промывную воду, должен быть на 0,2 м ниже дна желоба.
215

Расстояние от поверхности фильтрующей загрузки до кромок желобов Н^
надлежит определять по формуле:
100
A3.219)
где Я, - высота фильтрующего слоя, м; а^ - относительное расширение фильтрующей
загрузки в процентах, принимаемое по табл. 13.20.
Расход воды на промывку фильтров, в % от общего расхода по станции,
определяется по формуле:
W -N
р^=— 100,%, A3.220)
^ q-T
где fV^ - количество воды, расходуемой на одну промывку фильтра, м^; Л'- число
фильтров на станции; q - расчетный расход воды на станции, м^/ч; Т - продолжительность
работы фильтра между промывками (фильтроцикл), ч.
Скорости движения воды в трубопроводах, подающих и отводящих промывную
воду, следует принимать 1,5-2 м/с. Должна быть исключена возможность подсоса воздуха
в трубопроводы, подающие промывную воду на фильтры, а также подпора воды в
трубопроводах, отводящих промывную воду.
Двухпоточные фильтры.
В основу конструктивного решения двух-
поточных фильтров положен принцип
двухстороннего фильтрования воды с отводом
фильтрата трубчатой дренажной системой,
расположенной в толще фильтрующего слоя.
Часть обрабатываемой воды фильтруется свер-
' ху вниз через верхний слой загрузки, основная
же масса воды фильтруется снизу вверх, через
нижний слой. Наличие двухстороннего
движения воды обеспечивает статическую
устойчивость фильтрующего слоя.
В двухпоточном фильтр? системы АКХ
(рис. 13.44) дренаж для отвода фильтрата
расположен на некотором расстоянии E0-60 см)
от поверхности песка. Соотношение между
количествами воды, фильтрующихся через слои
сверху и снизу, определяется гидравлическими
сопротивлениями этих слоев. Из-за малой гря-
зеемкости верхнего слоя песка и быстрого
закупоривания его пор количество воды, про-
Рис. 13.44. Принципиальная схема шедшей через него, постепенно уменьшается,
работы двухпоточного фильтра. ^ количество воды, проходящей через слой за-
1,2 - подача исходной воды; 3 - нижняя
грузки в восходящем направлении - увеличи-
распределительная система; 4 - отвод '^■' ^ ^^ г j
фильтрата; 5 - неоднородная по фануло- взется.
метрическому составу загрузка фильтра
216
/
ш

Фильтрование осветляемой воды осуществляется одновременно снизу вверх и
сверху вниз. Фильтрат отводится через среднюю дренажную систему через слой
мелкого песка, что обеспечивает повышение грязеемкости (в 2,5-5 раз по сравнению с
обычными скорыми фильтрами.
Такой фильтр промывается в основном через нижний дренаж 1 (рис. 13.45) и
дополнительно - через дренаж 3, расположенный в теле фильтра. Отвод промывной воды
из фильтра осуществляется сборными желобами.
Расчетный расход Q (м/ч) на таких фильтрах представляет собой сумму расходов
через нижний слой фильтрующего материала Q^ (м^/ч) и верхний слой Q^ (м^/ч):
Q.=Q.+Qe
,мЗ/ч
A3.221)
к концу фильтроцикла скорость фильтрования снизу вверх достигает 80%
суммарной скорости. Для открытых самотечных фильтров расчетная скорость фильтрования
принимается не более 12 м/ч. Во время ремонта или промывки одного из фильтров, а
также при форсированной работе станции допускается увеличение скорости
фильтрования до 15 м/ч.
Рис. 13.45. Схема фильтра АКХ:
1 - нижний дренаж; 2 - желоб для
распределения исходной и сбора промывной воды; 3 -
средний дренаж; 4 - отвод промывной воды; 5 -
подача исходной воды; 6 - отвод фильтрата; 7 -
подача промывной воды
Таблица 13.24
Зафузка фильтра АКХ
Слой
Кварцевый песок
(керамзит, шунгизит)
Гравий (или гранитный
щебень)
Крупность зерен в слое, мм
dio= 0,45-0,55,
d8o= 1,50-1,60,
коэффициент неоднородности 2,0-2,2
2-4
4-8
8-16
16-32
32-64
Высота слоя, мм
1450-1650
100
50-100
50-100
100
150
Нижняя распределительная система фильтров АКХ проектируется аналогично
трубчатой системе большого сопротивления однопоточных скорых фильтров.
Нижняя распределительная система фильтров выполняется из труб в виде
коллектора с ответвлениями, уложенными с подъемом 0,002 к магистральному
трубопроводу. Размеры магистрального трубопровода и число ответвлений трубчатой
распределительной системы большого сопротивления должны удовлетворять условию:
217

к
Fr
^ + -4^^0,3
A3.222)
/, /2 '.
где Fq - площадь всех отверстий распределительной системы, м^;/,,^ - площади
поперечного сечения магистрали одного ответвления, м^; п - общее число ответвлений.
От магистрального трубопровода должен бьпъ выведен стояк-воздушник для
удаления воздуха.
Средеяя дренажная система фильтров состоит из щелевых металлических или
полимерных труб диаметром 100-150 мм, уложенных в толще фильтрующего слоя на
расстоянии 500-600 мм от поверхности загрузки. Щели располагаются рядами
параллельно или в шахматном порядке. Длина щелей в винипластовых трубах 45-60, в
асбоцементных - до 100 мм, ширина щелей 0,4-0,5 мм. расстояние между смежными
щелями по внутренней поверхности не менее 10, а между щелями по наружной
поверхности трубы - 15-20 мм.
Скорость движения воды в дренажных трубах не должна превышать 1 Wc.
Стыки дренажных труб жестко укрепляются на опорах из стальных труб или балок
прокатных профилей, расположенных перпендикулярно к оси дренажных труб.
Обычно расстояние между опорами принимается 1,2-1,5 м.
Расчет желобов для сбора промывной воды двухпоточных фильтров выполняется
так же, как и для однопоточных скорых фильтров.
Напорные фильтры.
Напорные фильтры (рис. 13.46, 13.47) широко используются в промышленном
водоснабжении для осветления воды после обработки ее коагулянтами без предваритель-
...«%:Ac..--v-
;?i-->;;>5<?Si?t*'* -л
;-•■•.■* •.•у-*£л-,".*.'»...>.*'Х 11
•.V'.-i:'>r..-;tft..ri;w.-::<? -U
^ I \
3 / "
Рис. 13.46. Схема
вертикального напорного фильтра.
1 - корпус; 2 - фильтрующий
слой; 3 - нижняя дренажная
система; 4 - люк для гидровыфузки
зафузки; 5 - подача исходной
воды; 6 - труба для сброса
промывной воды; 7 - водоотбойная
пластина; 8 - лаз; 9 - вантуз;
10 - подача промывной воды и
отвод фильтрата
218
3:2
—^x^
р
Рис. 13.47. Схема фильтра осветлительиого
горизонтального однокамерного ФОГ 3,0-6-5,5.
1 - подвод обрабатываемой воды; 2 - выход
отфильтрованной воды; 3 - подвод промывной воды; 4 - отвод
промывной воды; 5 - подвод сжатого воздуха; 6 - сброс
первого фильтрата; 7 - система гидровыгрузки
фильтрующего материала; 8 - вантуз для выпуска воздуха

ного отстаивания, а также при безреагентном осветлении воды с содержанием
взвешенных веществ до 50 мг/л. Они представляют собой закрытые стальные цилиндрической
формы резервуары со сферическими днищами, рассчитанные на внутреннее давление
до 4-6 атм. Эти фильтры, как и самотечные, имеют дренажную систему, фильтрующий
слой и устройства для сбора фильтрата и отвода промывной воды. Кроме того, их
оборудуют соответствующей арматурой для подвода и отвода фильтруемой воды, а также
для подачи промывной воды и воздуха.
В практике применяют вертикальные (рис. 13.46) и горизонтальные (рис. 13.47)
напорные фильтры. Диаметр выпускаемых нашей промышленностью стандартных
вертикальных напорных фильтров лежит в пределах 1-3,4 м. Увеличение диметра фильтров
сверх 3,4 м приводит к техническим трудностям при транспортировке ж/д транспортом.
Производительность вергикальных напорных фильтров на водах различного качества
составляет 50-90 м^/ч. Из экономических соображений количество их на станциях водо-
подготовки устанавливается в пределах от 4-6. Если производительность станции
большая и применить открытые железобетонные фильтры невозможно, устанавливают
горизонтальные напорные фильтры диаметром 3 м и длиной 10 м. В табл. 13.25 приведены
технологические характеристики зернистых материалов, применяемых в однослойных
напорных фильтрах.
Расчетную скорость фильтрования для напорных фильтров принимают: при
нормальном режиме с предварительным отстаиванием - 8, при форсированном - 10 м/ч;
при нормальном режиме без отстаивания - 4, при форсированном - 5 м/ч. Потеря
напора в слое фильтрующей загрузки перед промывкой принимается равноц Юм вод. ст.;
необходимый напор промывной воды -Юм вод. ст. Расчетная интенсивность промывки
восходящим потоком воды для кварцевого песка и мраморной крошки составляет
15 л/(см2), для дробленого антрацита - 10 л/(см2), длительность промывки - 6 мин.
Таблица 13.25
Технологические показатели зафузки однослойных напорных фильтров

Фильтрующий
материал
Гранулометрический
состав
2
S
i
S
1'
Г)
а
о
S
§
S
-е-
I
m
о
я
1
Примерная грязеемкость,
1'г/м'
Ё
I
S
Ч
11
I
8
S о к
S S S
а
|1
Г
:S|
Кварцевый
песок
0,5-1
0,35
1200
1,6
10
0,75
1.25
1,5

Мраморная
крошка
0,5-1
0,35
1200
1,8
10
0,75
1,25
1,5

Дробленый
антрацит
0.8-1,5
0.60
1200
0,8
10
1.52
1.75
219

в случае применения при промывке сжатого воздуха с подачей его через нижний
дренаж рекомендуется принимать: напор воздуха перед фильтром 1 атм, интенсивность
продувки 20 л/{см2), длительность продувки 3 мин.
Напорные фильтры, как правило, не имеют гравийных поддерживающих слоев, их
дренаж выполняется в виде трубчатого коллектора с ответвлениями, снабженными
фарфоровыми и пластмассовыми дренажными колпачками или щелями. В случае
применения водовоздушнон промывки устраивается дополнительная дренажная система,
располагаемая в фильтрующей загрузке над основным дренажом фильтра и смонтированная
из колпачков типа В-1, позволяющих производить подачу воды и воздуха
одновременно; Вверху фильтра устанавливается вантуз для выпуска воздуха.
Контактные осветлители.
Контактные осветлители (рнс. 13.48) целесообразно применять на станциях любой
производительности при одноступенчатых схемах очистки маломутных цветных вод,
когда общее содержание взвещенных веществ в поступающей на контактные
осветлители воде, включая взвесь, образующу-
3
юся в результате введения в воду
реагентов, не превыщает 120 мг/л при
максимальной цветности 120 град. При
большем содержании взвеси в воде
резко возрастает расход на промывку
контактных осветлителей. Наиболее
эффективно применение контактных
осветлителей, если период максимальных
значений цветности н мутности не пре-
выщают 30-50 сут в год, а
среднегодовая загрязненность воды составляет
20-30 мг/л по взвешенным веществам и
50-70 град, по цветности.
Объем сооружений очистки воды с
применением контактных
осветлителей уменьшается в 4-3 раз по
сравнению с объемом сооручсеннй обычного
типа (двухступенчатые схемы). На
15-20 % уменьшается также расход
коагулянтов.
Принцип действия контактных
осветлителей основан на том, что на
поверхности зерен загрузки при движении воды, обработанной коагулянтом, снизу вверх
сорбируются коллоидные и взвешенные частички.
В технологии очистки природных вод рекомендованы контактные осветлители КО-
1 и КО-3. Схема контактных осветлителей типа КО-1 приведена на рис. 13.48.
На станциях с контактными осветлителями воды перед нимЬ надлежит
предусматривать входную камеру с сетчатыми барабанными фильтрами.
Объем входной камеры, где происходит смешение и контакт воды с реагентами
должен определяться из условия пребывания воды в ней не менее 5 мни. Камера
должна быть секционирована не менее чем на 2 отделения, в каждом из которых надлежит
предусматривать переливные и спускные трубы.
220
7 6 10 4
Рнс. 13.48. Схема контактного осветлителя:
1 - корпус; 2 - фильтрующая неоднородная зафуз-
ка; 3 - отвод фильтрата; 4 - подача исходной воды;
5 - отвод промывной воды; 6 - нижняя дренажная
система(НДС); 7 - поддерживающий слой; 8 -
желоб для сбора промывной воды; 9 - подача воды на
промывку; 10 - магистральный канал исходный и
промывной воды; 11 - сборный канал отвода
фильтрата и промывной воды

Превышение уровня воды во входных камерах над уровнем в контактных
осветлителях Ну следует определять по формуле:
Я^=0,8-Л,-1-Л, ,м,
A3.223)
где Aj - предельно допустимая потеря напора в песчаном слое загрузки, принимаемая
равной высоте его слоя, м; h^ ~ сумма всех потерь напора на пути движения воды от
начала входной камеры до загрузки осветлителей, м.
Отвод воды из входных камер на контактные осветлители должен
предусматриваться на отметке не менее чем на 2 м ниже уровня воды в осветлителях.
Контактные осветлители при промывке водой надлежит предусматривать без
поддерживающих слоев, при промывке водой и воздухом - с поддерживающими слоями.
Загрузку контактных осветлителей надлежит принимать по табл. 13.26.
Таблица 13.26
Параметры загрузки контактных осветлителей
Крупность зерен фавия н песка, мм
40-20
20-10
10-5
5-2
2-1,2
1.2-0,7
Высота гравийных и песчаных слоев, м
без поддерживающих
слоев
-
-
-
0,5-0,6
1-1,2
0,8-1
с поддерживающими
слоями
0,2-0,25
0,1-0,15
0,15-0,2
0,3-0,4
1,2-1,3
0,8-1
Скорости фильтрования в контаетных осветлителях следует принимать: без
поддерживающих слоев при нормальном режиме - 4-5 м/ч, при форсированном - 5-5,5 м/ч;
с поддерживающими слоями при нормальном режиме 5-5,5 м/ч, при форсированном -
5,5-6 м/ч. При очистке воды для хозяйственно-питьевых нужд надлежит принимать
меньшие значения скоростей фильтрования. Контаетпые осветлители могут работать в
двух режимах: при постоянной скорости фильтрования на протяжении всего фильтро-
цикла и со скоростью, постепенно убывающей к концу фильтроцикла так, чтобы
средняя ее величина равнялась расчетной. В первом случае при проеетировании
предусматривается регулирование подачи воды на осветлители независимо от их количества. Во
втором случае необходимо иметь в виду, что при выключении одного из осветлителей
на промывку скорость фильтрования на остальных осветлителях не должна
увеличиваться более чем на 15 %. Это достижимо, если на станции их не менее шести. При
меньшем числе осветлителей необходимо предусматривать ограниченную подачу воды
в период промывки одного из них.
Общую площадь контаетных осветлителей F^ „ надлежит определять по формуле:
F..O = Qn 1{Т,„ ■ v„ - 3,6«„ юг, - п„^ • t
"р
"р
•/3-vJ,m2, A3.224)
221

где Q„ - полезная производительность станции, м^/сут; Т^„ - продолжительность
работы станции в течение суток, ч; v„ - расчетная скорость фильтрования при нормальном
режиме, м/ч; п^ - число промывок каждого осветлителя в сутки, принимается равным
2-3; а - интенсивность промывки осветлителей, л/(см2), принимаемая по табл. 13.27;
/[ - продолжительность одной промывки ч, принимаемая по табл. 13.27; /2 - время
простоя осветлителя в связи с промывкой, принимаемое равным 0,33 ч; t^ ~
продолжительность сброса первого фильтрата, ч, принимаемая по табл. 13.27.
Для промывки следует использовать очищенную воду. Допускается использование
неочищенной воды при условиях: мутности ее не более 10 мг/л, коли-индекса - до
1000 ед/л, предварительной обработки воды на барабанных сетках(или микрофильтрах)
и обеззараживания. При использовании очищенной воды должен быть предусмотрен
разрыв струи перед подачей воды в емкость для хранения промывной воды.
Непосредственная подача воды на промывку из трубопроводов и резервуаров фильтрованной
воды не допускается.
Таблица 13.27
Режим промывки контактных осветлителей
Показатель
Продолжительность промывки
Интенсивность подачи воды
Продолжительность
сброса первого
фильтрата при промывке
водой:
очищенной
неочищенной
Единица
измерения
мни
л/(с-м^)
мни
мин
Количество
7-8
15-18
10-12
12-15
Устройства для подачи промывной воды рассчитывают так же, как и для скорых
фильтров. Количество воды, расходуемой на промывку, определяется по формуле:
W -N
A3.225)
где fV„ - количество воды, расходуемой иа одну промывку осветлителя, м'; N- число
осветлителей на станции; q - расчетный расход воды на станции, м'/ч; Т-
продолжительность работы осветлителя между промывками (фильтроцикл), ч.
Водовоздушную промывку контактных осветлителей надлежит предусматривать со
следующим режимом: взрыхление загрузки воздухом с интенсивностью 18-20 л/(см2) в
течение 1-2 мин; совместная водовоздушная промывка при подаче воздуха 18-20 л/(см2)
и воды 3-3,5 л/(см2) при продолжительности 6-7 мин; дополнительная промывка водой
с интенсивностью 6-7 л/(см2) продолжительностью 5-7 мин.
В контактных осветлителях с поддерживающими слоями и водовоздушной
промывкой надлежит применять трубчатые распределительные системы для подачи воды и
воздуха и систему горизонтального отвода промывной воды.
В контактных осветлителях без поддерживающих слоев должна
предусматриваться распределительная система с приваренными вдоль дырчатых труб боковыми
шторками, между которыми привариваются поперечные перегородки, разделяющие подтруб-
222

иое пространство на ячейки. Отверстия в дьфчатых трубах следует располагать в два
ряда в шахматном порядке и должны бьпъ направлены вниз под углом 30° к вертикальной
оси трубы. Диаметр отверстий - 10-12 мм, расстояние между осями в ряду -
150-200 мм. Распределительную систему надлежит проектировать в соответствии с
табл. 13.28.
В контактных осветлителях без поддерживающих слоев сбор промывной воды
надлежит осуществлять желобами, над кромками которых следует предусматривать
пластины с треугольными вырезами высотой и шириной по 50-60 мм, с расстояниями
между их осями 100-150 мм. Низ патрубка, отводящего осветленную воду из контактных
осветлителей, должен быть на 100 мм выше уровня воды в сборном канале при промывке.
Таблица 13.28
Параметры распределительной системы контактных осветлителей
Диаметр
труб
ответвлений, мм
75
100
125
150
Отношение
суммарной площади
отверстий к
площади осветлителя,
доли
0,28-0,3
0,26-0,28
0,24-0,26
0,22-0,24
Расстояния, мм
между
осями труб
ответвлений
240-260
300-320
350-370
440-470
от дна
осветлителя
до низа
шторок
100-120
120-140
140-160
160-180
от низа шторок
до оси труб
ответвлений
155
170
190
220
между
поперечными

перегородками
300-400
400-600
600-800
800-1000
Трубопроводы отвода осветленной и промывной воды должны предусматриваться
на отметках, исключающих возможность подтопления осветлителей во время рабочего
фильтроцикла при промывках.
Для опорожнения контактных осветлителей на нижней части коллектора
распределительной системы должен предусматриваться трубопровод с запорным устройством
диаметром, обеспечивающим скорость нисходящего потока воды в осветлителе не
более 2 м/ч при наличии поддерживающих слоев, и не более 0,2 м/ч - без
поддерживающих слоев. При опорожнении осветлителей без поддерживающих слоев следует
предусматривать устройства, исключающие вынос загрузки.
Контактные фильтры.
В контактных фильтрах, в работе которых также используется явление контактной
коагуляции. Вода с добавленными к ней реагентами, в отличие от контактных
осветлителей, фильтруется через зернистые загрузки в направлении сверху вниз, т.е. как в
обычных скорых фильтрах. Для увеличения грязеемкости фильтрующей загрузки ее делают
двух- или многослойной, а также из крупнозернистого материала. Характеристика
фильтрующих загрузок контактных фильтров приведена в табл. 13.29.
В контактных фильтрах рекомендуется применять дренажи без подстилающих
слоев с распределительной системой из керамических пористых плиток или винипласто-
вых щелевых труб. Грязеемкость их загрузки примерно такая же как и у контактных
осветлителей, а эксплуатационные затраты несколько ниже. При использовании контакг-
223

ных фильтров отпадает необходимость в строительстве сооружений или установке
специального оборудования для защиты распределительных систем от загрязнения.
Важным преимуществом контактных фильтров является возможность
значительного форсирования их работы путем повышения скорости фильтрования до 9 м/ч с
одновременным увеличением полезной подачи воды в водопроводную сеть в период
максимального водопотребления.
В результате проведенных испытаний контактных фильтров установлено, что
раствор коагулянта следует подавать в воду непосредственно перед поступлением ее в
фильтрующую загрузку. Контактные фильтры целесообразно применять в
одноступенчатых схемах обработки воды при общем количестве взвеси в ней не более 50-60 мг/л.
Таблица 13.29
Характеристика фильтрующих загрузок контактных фильтров
Фильтр
КФ-2
КФ-3
КФ-5
Загрузка
Слой, м 1 Крупность, мм
Антрацитовая крошка
0,7 1 0,8-1,8
Кварцевый песок
0,8 0,9-1,8
Кварцевый песок
2,0 1 0,9-1,8
Керамзит
0,5 1 2,3-3,3
Аглопорит
0,5 1 1,25-2,3
Кварцевый песок
0,5 1 0,7-1,25
Контактные префильтры.
Контактные префильтры следует применять при двухступенчатом фильтровании
для предварительной очистки воды перед скорыми фильтрами второй ступени.
Конструкция контактных префильтров аналогична конструкции контактных
осветлителей с поддерживающими слоями и водовоздушной промывкой. ГЪющадь
префильтров надлежит определять с учетом пропуска воды на промывку скорых фильтров
второй ступени.
При отсутствии технологических изысканий основные параметры контактных
префильтров следует принимать по табл. 13.30.
Таблица 13.30
Характеристика загрузки контактных префильтров
Высота слоев песка, при крупности зерен, мм:
5-2
2-1
эквивалентный диаметр зерен песка
скорость фильтрования при нормальном режиме
скорость фильтрования при форсированном р ежиме
0,5-0,6 м
2,0-2,3 м
1,1-1,3 мм
5,5-6,5 м/ч
6,5-7,5 м/ч
Следует предусматривать смешение фильтрата одновременно работающих кон-
таетных префильтров перед подачей его на скорые фильтры.
224

13.9. Фильтры с плавающим фильтрующим слоем
Фильтры с плавающей загрузкой.
Фильтры с плавающей загрузкой (ФПЗ) являются эффективными,
высокопроизводительными сооружениями по очистке природных, оборотных и сточных вод от гетеро-
фазных примесей.
Применение плавающих полимерных пэанулыных загрузок с плотностью меньшей
плотности воды открыло новые перспективы в совершенствовании и интенсификации
работы зернистых фильтров. Плавающая загрузка в работе не имеет непосредственного
контакта с нижней дренажной системой сбора и отвода промывной вод. Это позволяет
отказаться от применения в корпусах фильтров дренажа большого сопротивления и
специальных промывных насосов, уменьшить материалоемкость
сборно-распределительных систем и рационально использовать весь располагаемый напор над коллектором
отвода промывной воды.
Расходы на доставку пенополистирольной загрузки к обьекгам сокращается в
15...25 раз по сравнению с тяжелыми загрузками; так как из 1 т исходюго сырья на
месте применения можно получить более 15 м^ плавающей загрузки. В опгличие от
промывки тяжельпс фильтрующих материалов, вектор силы тяжести зaдepжa:^ньDc в порах
загрузки загрязнений, совпадает с вектором движения промывного потока, поскольку
промывка плавающей загрузки осуществляется сверху вниз водой из надфильтрового
пространства, повышая эффекгивность отмывки загрузки и сокращая ее продолжительность.
Технико-экономические расчеты и анализ конкретных условий применения
плавающих гранульно-волокнистых полимерных загрузок подтвердили целесообразность их
использования в компактньпс установках заводского изготовления, на водозаборных
узлах и станциях водоочистки. Особенно перспективны они там, где отсутствуют или
находятся на далёком расстоянии сырьевые базы более дешевых фильтрующих
материалов из керамзита, горелых пород, вулканических шлаков и др.
К категории плавающих фильтрующих зернистых загрузок относ тгся полимерные
гранулы или зерна с замкнуто-ячеистыми порами диаметром 0,5.. ,6,0 мм, а также
полимерные волокна с плотностью меньшей плотности воды, способные пребывать в
затопленном водой состоянии неограниченное время. Наиболее приемлемыми для практики
являются вспененные гранулы полистирола марок ПСВ и ПСВ-С, а также их
модификации. В качестве плавающих загрузок могут применяться и гранулированный стекло-
пор, дробленые пенополиуретан и пенопропилен, фторопласт, капрон, полиэтилен и
другие легкие полимерные материалы.
Беспрессовым методом можно получить вспенивающийся полисирол разных
марок, существенно отличающихся одна от другой. Так, за последние 30 лет в ОНПО
«Пластполимер» помимо основньпс марок ПСВ, ПСВ-С и ПСВ-Б были разработаны
новые марки гранулированного вспенивающегося масло - и бензостойкого пенополисти-
рола: ПСВ-М20 и ПСВ-Н35, ПСВ-ЭЗ и ПСВ-Э5 (сверхлегкие), ПСВ-СПМ (с низким
содержанием, до 0,05 % - мономера стирола), ПСВ-ЛД (с улучшенной газифицируемос-
тью), изготовляемые по ОСТ 05-202-88. По ТУ 6-05-1905-98 изготовляется пенополис-
тирол с поверхностной обработкой биссера марок ПСВ-77Р, ПСВ-77С и др.
8 - 9858 225

Приготовление плавающей фильтрующей загрузки из гранул пенополистирола
заключается в предварительном рассеве бисера, его вспенивании и охлаждении в заданном
технологическом режиме. Степень расширения гранул, характеризуемая отношением объема
вспененных гранул к объему исходных, зависит от вида и содержания вспенивающегося агента в
исходном продукте, вида и температуры теплоносителя, продолжительности и условий
протекания процесса вспенивания в различных аппаратах (рис. 13.49).
р», ри иУм
900
800
700
600
500
400
300
300
100
0
-8
7
v'
1
■s<?
3
2
А
^'
5
Рис. 13.49. Зависимость кажущейся и
насыпной плотностей вспененных
гранул полнетирола различных
производств от нх диаметра н условий
вспенивании:
1.3 - для кажущейся плотности недроблен-
ного вспененного полистирола; 5,7 - то же,
насыпной плотности; 2,4 - для кажущейся
плотности дробленого вспененного
полистирола; 6,8 - то же, насыпной плотности;
1Д и 5,6 - производства ПО «Стирол»;
3.4 и 7,8 - производства НХК г. Салавата
Aк. 1Ш
Основными условиями приготовления плавающей фильтрующей загрузки
являются строгое соблюдение заданных режимов температуры и времени тепловой обработки;
создание одинаковых температурных условий для всех зерен бисера, участвующих в
технологическом цикле вспенивания; предотвращение слипания гранул между собой.
Правильная технология вспенивания позволяет их исходных гранул различного
диаметра получить плавающую загрузку с широким диапазоном изменения грансостава,
удовлетворительными механическими свойствами и хорошо развитой площадью
свободной noBqjxHOCTH. Технологическая линия приготовления пенополистирольной загрузки
водоочистных фильтров с применением вспенивателей конструкции ЦНИИКИВР (ВУ-2 н
ВУ-3) и НПО «Энергосталь» (Донецкий филиал) приведена на рис. 13.50. Схемы
установок для вспенивания бисера полистирола паром и водой в стационарных и полевых (на
полигонах и стройплощадках) условиях представлены на рис. 13.51.
Рис. 13.50. Схема производственион
линии приготовления пеиополистн-
рольиой загрузки:
I - приемный бункер; 2 - затвор; 3 -
заслонка; 4 - воздуховоды; 5 - дробилка;
б - машина для рассева; 7 -
вентиляторы; 8 - циклон; 9 -
бункеры-накопители; 10 - бвстросъемные шланги;
II - вспениватель; 12 - бак с холодной
водой; 13 - сушильная камера
226

Наличие в воде минеральных масел,
нефтепродуктов и жиров с концентрацией
свыше 10 мг/л препятствует нормальной
работе ФПЗ в безреагентном режиме. В то
же время ввод коагулянтов и флокулянтов
повышает эффект очистки. ФПЗ могут
быть применены как при строительстве
новых фильтровальных станций, так и
реконструкции существующих сооружений
(путем переоборудования кварцевых
фильтров, осветлителей со взвешенным осадком,
отстойников). Производительность
очистной станции может быть любая при
соответствующем технико-экономическом
обосновании.
В настоящее время ра^>аботано свыше
100 конструкций фильтров с плавающей
пенополистирольной загрузкой (ФПЗ),
отличающихся областью применения,
технологическими возможностями,
разнообразием конструктивных элементов,
условиями размещения пенополистирольной
загрузки в корпусах, (в том числе в
известных существующих водопроводных и
канализационных сооружениях), способами
промывки пенополистирольной загрузки.
Работа некоторых из них (ФПЗ-1, ФПЗ-3,
ФПЗ-4, АФПЗ-4) была изучена и испытана
в процессе эксплуатации на действующих
станциях (рис. 13.52).
Наиболее экономичными и простыми
в эксплуатации являются фильтры с
восходящим фильтрационным потоком и
относительно однородной пенополистирольной
загрузкой (ФПЗ-1) с диаметром гранул
рабочего слоя 0,7-1,5 мм и поддерживающим
верхним слоем, состоящим из гранул
диаметром 2,5-6,0 мм.
Исходные данные для инженерного
расчета ФПЗ различных конструкций в
первом приближении могут быть приняты
по табл. 13.29.
Выбор конструкции ФПЗ следует производить в зависимости от
фазово-дисперсного состояния примесей в обрабатываемой воде, назначения очистки и высотной
технологической схемы станции. Скорости фильтрования и продолжительность фильтроцик-
ла уточняются в процессе эксплуатации фильтра.
Рис. 13.51. Конструктивные схемы вспенн-
вателей полистирола:
а - автономный водяной вспениватель ВУ-2
конструкции ЦНИИКИВР; б - паровой
вспениватель ВУ-3 конструкции ЦНИИКИВР;
в - конструкции НПО «Энергосталь»
(Донецкий филиал); 1 - приемный бункер; 2 -
опрокидыватель; 3 - механическая мешалка; 4 -
вентиляционный стояк; 5 - выгрузочные
люки; 6 - форсунки; 7 - подвод дизельного
топлива; 8 - корпус; 9 - транспортные устрюйства
вспенивающихся гранул; 10 - приводные
устройства; 11 - подвод пара; 12 -
электронагревательный прибор
227

При применении конструкций ФПЗ-3, ФПЗ-4, ФПЗ-5 в технологии очистки
хозяйственно-питьевой воды с целью обеспечения высокой санитарной надежности
промывки загрузки следует предусматривать устройство дополнительного трубопровода для
подачи чистой воды в надфильтровое пространство.
Потери напора на ФПЗ следует принимать > 1,5 м при фильтровании сверху вниз и
2,0-2,5 м при фильтровании по схеме снизу вверх.
Высота слоя воды над поверхностью загрузки во время фильтрования должна быть
не менее 0,5 м, а к концу промывки - не менее 0,1 м. Требуемая высота слоя воды в над-
фильтровом пространстве, используемой для промывки, определяется расчетом.
Рис. 13.52. Конструкции ФПЗ-1 (а), ФПЗ-3 (б), ФПЗ-4 (в), АФПЗ-5м (г):
1 - корпус; 2 - фильтрующая загрузка; 3 - отвод фильтрата; 4 - подача исходной воды;
5 - отвод промывной воды; 6 - нижняя дренажная система (НДС); 7 - средняя дренажная
система (СДС); 8 - система гидроавтомагической промывки
Количество рабочих фильтров и блокирование секций над фильтрового пространства
должно обосновываться технико-экономическим расчетом. Выключение одной секции
ФПЗ на промывку допускает увеличение скорости фильтрования на 20%. Температура
очищаемой воды не должна превышать 50 оС (во избежание размягчения полимера).
С целью уменьшения расчетной высоты фильтра в конструкциях ФПЗ-1, ФПЗ-2,
ФПЗ-6 (фильтрование осуществляется снизу вверх) рекомендуется объединять
надфильтровое пространство трех-шести фильтров с помощью общего бокового кармана
или трубопровода в блок-фильтры. При этом должна быть предусмотрена возможность
отключения любого фильтра на ремонт или осмотр без нарушения гидравлического
режима работы остальных фильтров.
228

гч
g
X
л
т
X
^
о.
X
о.
п
X
X
X
о
X
•е-
S
о.
с
го
п
2
о.
а
п
и
X
и:
и
и
S
U
о
с;
X
1-
S
i^
3
а
Си
£
1
•е
о.
о
U
о
U
и
я
5
•е
^
а
а
та
X
1 sP
" о Q. га -
2 з: S " з:
; J) а U i^
е-51 i г.
о н §_ = £.
§ S & i
^И =
U оа н .
b S к <->
S = '^
к
1 1 й й '.
1 § § 2 5
1 § ^ g i
:
!5 i 5 =
u a* u
1 11
ra u
;« Й "=5
U X ffi
CI X
" a
ra
X
-e-
§'i
G X
§ i g s
H ^ Ч
S X 5
1 ^
X
ra
H
ass
1 1^
)X
я
X
3
X
с
1
X
ra
1
•e
8
£
s
X
о
X
u
u
га
u
cu
о
Tf
t
r*^
»n
•—■
ГЧ
00
<>
-*
о
о
о.
»n^
i s
« s
о 2
= £
=t S
О "
^^
CO
с
e
о
»л
t
r*^
<N
О
00
4
w^
о
fS^
о
t
о
»л
t
fO
<N
О
О
О
"Т.
о
fN
■ч;
о
t
о
s 1
IS ^
о 2
5 1
О i
r*^
Г0
С
e
^
го
с
е
я
та
о.
'а
)Х
о
X
и
:?
о
а
с
U
о
С
о
оа
X
2
X
§
с
U
X
X
га
X
VO
о
гч
о
■^
»п
■^
fS
о
о
о*
о^
^.
о'
»п
о
ii
'= Э
о о
б =
= ч
=• я
о ё
t
го
с
е
>s
S
я
с:
X
•е
£
5
X
U
U
я
1
о
»Л
t
г*^
(N
О
00
00
о
w^
S
00
о"
о
»п
о
3
X
)Х
о
и
о
X
=4
о
„^
го
с
е
о
»п
t
Г*^
ГЧ
о
00
гч
»п^
о
гч
о"
ж гч ж —
)х о >з: w^
а „- 3 о'
— гч
3
>ч
о.
.0
>ч
Ч
ГЧ
СО
с
е
о
»п
t
Г*^
rj
О
«
о
«
w^
о
о
»п
гч^
О
S
)Х
о
8
X
ч
о
^
го
с
е
■S
X
U
U
U
т
X
X
га
X
U
X
0)
оа
X
Ё
п
О
»п
»п
■^
»л
-^
00
»п
8
»п
■Ч-,
о.
о
3
)Х
о
8
ч
о
t
со
с
е
ct
о
@
X
3
X
т
2
X
X
т
о
X
U
U
т
S
X
о
X
X
т
Е
о
о
VO
га
т
§
»л
—■
гч
о
« 1
т
О
гч
■^^
о
X
}Х
о
ч
о
t
со
с
е
о
■ч-
»п
"-
■ч-
гч
»п
VO »П
tn"
о
VC^
о_
3
X
о
ч
о
со
<
о
X
Н
X
9)
U
я
U
с
^
X
о.
с
о
ч
я
t
о
VI
о
q
с>
S
у
о
IS
о
X
н
X
U
я
1
X
Б
Е?
о
§
S
о.
г
3
гг
3
а
и
о
X
S
S
п
>>
г
о
ct
е-
о
>л>
^-<
о
1
S
S
X
9)
5
U
а
о
U
>л>
С
иа
х
2
U
Н
ю
о
я
to
5
¥
U
X
X
я
с
U
о
о
о
X
я
й
о
и:
о
я
п
о
с
X
н
<>
X
о
с
ч
>>
X
я
е-
х-
X
U
п
ю
о
я-
С1
со
X
X
а
со
>ч
t
я
9)
я
о
о
о
X
о
JX"
о
а
у
о
q
со
U
а
со
U
nd
X
X
X
со
.8
о
2
U.
++
X
CQ 3
—" CN г^
229

Площадь одного фильтра нз конструктивных и экономических соображений
рекомендуется назначать в зависимости от производительности станций:
при е<у„„а,„« < 1000 мЗ/сут,/= 4-16 м2;
Qcymnane.» = 1000-10000 мЗ/сут,/=16-25 м2;
Qcym.nme3H =10000-100000 мЗ/суТ,/=25-50 М2.
Суммарную площадь фильтров, на которых фильтрование осуществляется снизу
вверх (ФПЗ-1, ФПЗ-2, ФПЗ-6), следует определять по формуле:
F = ^T^LH^af^ м2, A3.226)
v,„:(T-t,-n)-X6-n-tW
где Qcym.naaesH ~ суточная полезная производительность, м^/сут; Т - продолжительность
работы станции в течение суток, ч; v„p - расчетная скорость фильтрования при
нормальном режиме, м/ч; п — число промывок фильтров в сутки, принимается в
зависимости от продолжительности фильтроцикла равным от 0,1 до 3,0; fV- интенсивность
промывки, л/см2; / - время промывки, ч.
Суммарную площадь открытых фильтров, на которых фильтрование
осуществляется сверху вниз (ФПЗ-3, ФПЗ-4, ФПЗ-5), следует определять по формуле:
i-t ^сут.полезн.
,м2, A3.227)
где /| - время простоя фильтра, связанное с промывкой и переключением задвижек.
Принимается равным 0,12-0,15 ч.
Общее число фильтров на станции из условия обеспечения надежности работы
следует назначать:
- при подготовке воды для хозяйственно-питьевых целей по реагентной схеме не
менее четырех, по безреагентной - не менее двух.
Расчетную скорость фильтрования при форсированном режиме следует определять
по формуле:
v„^ =v„„—^ -м/ч, A3.228)
РФ- ■'■Р„_„^
где лил,- количество фильтров, общее на станции и находящееся в ремонте
соответственно.
В случае, когда Vp^ увеличится более чем на 20 %, необходимо увеличить площадь
фильтрования на 15%.
Объем промывной воды, необходимый для промывки одного фильтра, следует
определять по формуле:
^пр =3,6-ff •?•/ ,мЗ, A3.229)
где fV- интенсивность промывки, л/см-; / - продолжительность промывки, ч;/-
площадь фильтра, м^.
Требуемую высоту слоя воды в ФПЗ-1, ФПЗ-2, ФПЗ-6 с общим надфильтровым
пространством в случае, когда приток фильтрата от работающих фильтров меньше
расхода воды промываемого фильтра, следует определять по формуле:
230

йо =-^ • ^,6-ff-v, „(«,-!)>/г, ,м, A3.230)
^^ 6
гае «g- число фильтров в блоке, объединенных общим надфильтровым пространством;
h} - запас слоя воды к концу промывки, принимаемый равным 0,1 м.
Когда приток фильтрата от работающих в блоке фильтров превышает расход воды
на промывку промываемого в этом же блоке фильтра, расчетную высоту слоя воды
назначают из условия обеспечения расширения загрузки при промывке (и принимают
равной не менее 0,6 м.)
В фильтрах ФПЗ-3, ФПЗ-4 и ФПЗ-5 высоту слоя воды в надфильтровом
пространстве к концу фильтроцикла назначают по величине предельных потерь напора:
/»о>Х^ = 1-5-2,0 м, A3.231)
где 1Л- суммарные предельные потери напора в загрузке к концу фил)>троцикла.
Общую высоту корпуса ФПЗ всех конструкций следует определя'.ъ по формуле:
п
H^=h + h,+D,+^{l^{l + e.) + hJ .м, A3.232)
/=|
где Л - высота запаса стенки корпуса фильтра над максимальным уровнем воды в нем,
равная 0,2 м; D/^ - диаметр коллектора нижней сборно-распределительной системы, м;
/,• и е,- - соответственно толщина до промывки и величина относительного расширения
загрузки при промывке /-го яруса загрузки; И^, - аварийная высота, предотвращающая
вынос загрузки при промывке в нижележащие ярусы или коллектор нижней дренажной
системы. Принимается равной И^, = 0,2 м.
Решетки или сетки, предохраняющие фильтрующий слой от всплытия,
рассчитывают на восприятие выталкивающей силы, равной
R = K + ^H-G ,1а; A3.233)
где Лд =/• H/I - т), кг - Архимедова сила выталкивания; Л„ =/• Нрд^^ кг - сила
выталкивания, создаваемая в конструкциях фильтров ФПЗ-1, ФПЗ-2, ФПЗ-6 за счет напора
перед загрузкой, Ярд^„ = 1,5-2,5 м при отсутствии воды в надфильтровом пространстве.
Для ФПЗ-3, ФПЗ-4, ФПЗ-5 можно считать Л„ = 0.
G =fHyp A - /и), кг - масса слоя загрузки; тир- пористость загрузки и плотность
гранул пенополистирола; Н^ - толщина фильтрующего слоя, м (таблица 13.31).
Нижнюю дренажную систему (НДС) фильтра следует проектировать в виде
центрального или бокового коллектора с ответвлениями из перфорированных
пластмассовых труб с круглыми отверстиями d = 20-50 мм, направленными под углом 45 градусов
к вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы.
231

Диаметр коллектора НДС определяют по формуле:
^ = J : ,м, A3.234)
у я • V, • ?
где V| = 1,5-2,2 м/с - скорость движения воды в коллекторе при промывке фильтра;
W„p - объем промывной воды, м^; / - продолжительность промывки, с.
Суммарную площадь отверстий в ответвлениях НДС определяют в зависимости от
условий промывки. При постоянном уровне воды в иадфильтровом пространстве во
время промывки площадь отверстий надлежит определять по формуле:
JfVJ0^_M2 A3.235)
" \i-^2-g-H,
При переменном уровне в общем иадфильтровом пространстве блрк-фильтра
(конструкция ФПЗ-2) суммарная площадь отверстий равна:
©о = fr=W^i -л/^г) ,м2, A3.236)
\i-t-^2-g
где ц - коэффициент расхода в отверстиях, принимаемый равным 0,6-0,62; / -
продолжительность промывки, с; Я| - напор воды над осью коллектора в начале промывки, м;
^2 - то же, в конце тромывки с учетом потерь напора в загрузке, м.
Количество отверсглй в трубах НДС определяют из вьфажения:
A-F
«1=—^,шт., A3.237)
где й/-диаметр отверстий, м, принимаемый равным 20 мм; Fq - суммарная площадь
отверстий, мм.
Площадь фильтра, обслуживаемая одним отверстием НДС, определяют из
выражения:
/„=/,м2, A3.238)
«1
где/- площадь фильтра, м^.
Расстояния между отверстиями:
232
/ = ^,м. A3.239)

Количество отверстий, приходящихся на одну трубу НДС, определяют по формуле:
«2 = —г^ , шт.
/
A3.240)
где Z.„ - длина сборно-распределительной трубы, м.
Требуемую площадь поперечного сечения трубы средней дренажной системы
(СДС) надлежит определять по формуле:
J, J..p.-a-L,,
ср.др
,М2,
A3.241)
"Ф
где v„p - скорость фильтрования, м/ч; а - расстояние между осями труб, принимается
0,6-1,2 м; L^p - длина дренажной трубы, м; Уф - скорость движения воды в дренажной
трубе, равная 1 м/с.
Ширину водоприемной поверхности дренажной трубы СДС надлежит определять
по формуле:
В.
a-v.
н.р
ср.др.
yi-p-g-ffdp
,М,
A3.242)
где Щр - напор воды над водоприемной поверхностью среднего дренажа в начале филь-
троцикла, определяемый из выражения:
^др = ^0
,м.
A3.243)
где Яд - высота столба воды над водоприемной поверхностью дренажи эй трубы СДС, м;
jt = ' ^' - коэффициент фильтрации пенополистирольной загрузки
Диаметры трубопроводов, обслуживающих ФПЗ, следует определять по расчетным
расходам и скорости движения воды, равным 1,0-2,5 м/с.
233

14. ОЧИСТКА ПРИРОДНЫХ ВОД,
СОДЕРЖАЩИХ АНТРОПОГЕННЫЕ ПРИМЕСИ
14.1. Виды АНТРОПОГЕННЫХ ПРИМЕСЕЙ И МЕТОДЫ ИХ ИЗВЛЕЧЕНИЯ
При выборе технологий водоподготовки в условиях повышенных антропогенных
нагрузок на водоисточники первостепенную роль играет объективная оценка источника
хозяйственно-питьевого или технического водоснабжения. Гидрохимический режим
поверхностных водоисточников формируется в условиях интенсивной хозяйственной
деятельности на водосборах. К природным факторам, влияющим на качество
природных вод, относятся: геоморфологическое строение, климатические условия,
поверхностный и почвенный покров, поверхностные и подземные воды и др.
В последние десятилетия наблюдается пояаление в воде водотоков и водоемов
широкого спектра загрязняющих веществ, преимущественно антропогенного
происхождения, и ухудшение качества воды в целом. Поэтому, в нынешних условиях, необходимо
учитывать и существенное влияние антропогенных факторов на формирование
качества природных вод с учетом рассредоточенных и сосредоточенных источников
антропогенно-техногенной нагрузки, расположенных в районе водосбора.
Основными антропогенными загрязнениями, поступающими в поверхностные
водоисточники с неочищенными или недостаточно очищенными хозяйственно-бьгговыми
и промышленными сточными водами, ливневым и талым стоком с водосборов,
поверхностным стоком с территорий промплощадок, агропромышленных комплексов, хвосто-
хранилищ, мелиоративных сельхозугодий и др., являются фенолы, пестициды,
нефтепродукты, азотные соединения (азот аммонийный, нитриты и нитраты), соли тяжелых
металлов и поверхностно-активные вещества. Многие из них обладают куммулятивны-
ми свойствами и могут в значительной степени изменять гидрохимический режим
водоисточника.
Фенолы техногенного происхождения попадают в водоисточники с недостаточно
очищенными сточными водами коксовых производств, нефтеперерабатывающих
заводов, с продуктами перегонки смолы, образуются при деструкции целлюлозы. Феноль-
ный индекс очищенной воды по СанПиН 2.1.4.1074-01 не должен превышать 0,25 мг/л.
При этом к содержанию отдельных компонентов предъявляются более жесткие
требования, например, для фенола ПДК составляет - 0,001 мг/л. Существующие методы
очистки природных вод от фенолов базируются, в основном, на окислительных
воздействиях перекиси водорода, озона, перманганата калия и сорбции на аюгивированных углях.
Ассортимент пестицидов, используемых в сельском хозяйстве в качестве
гербицидов и инсектицидов для борьбы с сорными растениями и вредителями сельхозкультур,
весьма широк и разнообразен. Это хлорорганические и фосфорорганические
соединения, производные карбаминовой кислоты и мочевины, гетероциклические соединения.
Хлорорганические пестициды отличаются высокой стойкостью к воздействию
окружающей среды и нарастанием концентраций в последующих звеньях биологической цепи.
Поступают пестициды в водоисточники со стоками талых и дождевых вод с полей и
сельхозугодий, грунтовых вод в районе орошаемого земледелия, при неправильной
технологии обработки. Лимитирующие ПДК для разных классов пестицидов колеблются в
широких пределах. Так, например, для севина ПДК по органолептическому признаку
составляет 0,1 мг/л, карбофоса - 0,05 мг/л, гексахлорана - 0,02 мг/л и.т. д.
234

Различие в физико-химических свойствах применяющихся пестицидов
обуславливает трудности в выборе технологий их удаления из поверхностных вод. В случаях
одновременного присутствия несколько видов пестицидов, технология водоподготовки
должна включать реагентную обработку воды и ее сорбционную доочистку. Коагуляция
и фильтрование могут оказаться эффекгивными лишь в случаях, котда пестициды
присутствуют в воде в виде суспензий или коллоидных частиц. Разложение пестицидов под
действием активного хлора происходит с небольшой скоростью, требует повьииенных
доз окислителя и последующего дехлорирования. В большинстве случаев обработка
поверхностных вод, содержащих пестициды, хлором малоэффективна и приводит к
образованию более токсичных вторичных продуктов. В случаях наличия в воде
специфических пестицидов (ГХЦГ, симазин, токсафен) сорбция на активированных углях
оказывается надежным и практически единственным методом очистки. Для этих целей
используют угли БАУ, КАД-йод, ОУ-Ащ. При эпизодическом появлении пестицидов в
природных водах в подготовке питьевой воды предпочтение отдают дозированию
порошкообразных углей в трубопровод после насосной станции первого подъема и перед
фильтрами с общими дозами до 5-12 мг/л.
Нефтепродукты представляют собой совокупность алифатических,
ароматических алициклических углеводородов, составляющих основную часть нефти. При
поступлении в поверхностные воды водоемов и водотоков, они резко ухудшают органолепти-
ческие свойства воды, оказывают мутагенное (канцерогенное) действие на живой
организм (например, пирен, фенантрен и т.д.). В соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 ПДК
нефтепродуктов (суммарно) в воде питьевого качества нормируемых по органолептиче-
скому показателю вредности, не должно превышать 0,1 мг/л.
В природные воды нефтепродукты поступают в случаях использования источников
хозяйственно-питьевого назначения для целей судоходства; при аварийных сбросах
сточных вод или нарушении требуемых условий отведения и сброса городских и
промышленных (предприятия нефтедобычи и нефтепереработки) сточных вод; в периоды
стока ливневых и талых вод селитебных территорий и промплощадок, автостоянок,
хранения нефтепродуктов и прочее. В зависимости от концентрации, способа попадания в
воду, а также наличия поверхностно-активных веществ и солей, нефтепродукты могут
присутствовать в природной воде в различных состояниях: в виде пленки, эмульсии
типа «масло в воде» и в растворенном состоянии.
К известным методам очистки воды от нефтепродуктов, применяемых в практике
водоподготовки, относятся: сорбция с использованием природных и синтетических
сорбентов; электрокоагуляция и электрофлотация. Использование напорной флотации с
добавлением сульфата алюминия и полиакриламида лишь на 10-15% улучшает эффект
очистки воды от нефтепродуктов. Эффективность метода озонирования, по отношению
к нефтепродуктам, обусловлена в большей степени их концентрацией и различной
природой и колебаться, по данным разных авторов, в пределах от О до 100%.
В природных водах соединения азота могут находиться в виде органического
азота, ионов аммония, нитритов и нитратов. Источником нитритного и нитратного азота в
исходной воде чаще всего бывает аммонийный азот, поэтому актуальна проблема
удаления его при очистке воды. В подземных водах высокое содержание аммонийного азота
сопровождается зачастую присутствием сероводорода, агрессивного диоксида углерода,
марганца, железа. При рН = 6-8 в воде находится главным образом NH4*. Наиболее
токсичными являются нитрит-ионы, концентрация которых в питьевой воде по рекоменда-
235

циям СанПиН не должна превышать 3 мг/л. По рекомендациям ВОЗ концентрация
нитрит-ионов в питьевой воде не должна превышать 1 мг/л, а допустимая концентрация
нитратов составляет 45 мг/л по NOy.
Аммонийный азот, легко усваиваемый микроорганизмами при биологической
очистке, является одним из наиболее распространенных загрязнителей природных вод
антропогенного 2троисхождеш{я. Приемлемым в данном случае является метод
биологической нитрификации. Суть его состоит в окислении аммонийных соединений
бактериями рядов Nitrosomonas и Nitrosospire до нитратов. Нитрификация происходит эффе1сгив-
но при содержании растворенного кислорода в воде ~ 4 мгОг/мг. Применение
иммобилизованных микроорганизмов (закрепленных на поверхности носителя) повышает
скорость реакции на порядок.
Схема нитрификации выглядит следующим образом:
2NH; + 30, ^^""^°'"°"" ) 2NO;+4H'+2H,0, A4.1)
2N0; + о, ^'"'^'""■'•^ ) 2N0'^ . A4.2)
Среди факторов, влияющих на скорость биохимических реакций нитрификации,
основными являются концентрация аммиачного азота в исходной воде, температура и
содержание растворенного кислорода.
Образующиеся в результате нитрификации нитраты в анаэробных условиях
участвуют в процессе денитрификации по схеме:
+ Psuedomonos
N0- + 0,ЗЗСЯзОН -^'^-'^'^^" ) щ + 0,ЗЗСО, + 0,67Н,О ■ A4.3)
ресурсыорг.
углеродовводе
+ Achromobacter
no; + 0,ЗЗСН,ОН-^^^^^ >0,5N, + 0,5Н,О + ОН- + 0,5COj • (^'^•^)
Соли тяжелых металлов попадают в водоисточники с кислотными дождями, зона
выпадения которых стремительно охватывает все новые районы страны. В мягких
низкощелочных водах в северных и восточных районах страны эти дожди способны на
несколько единиц снизить рН воды, что, в свою очередь, не только препятствует
выпадению поступающих в эти источники, например, со сточными водами промышленных
пред2триятий, тяжелых металлов, но и стимулирует их растворение и переход в воду из
придонных осадков. В связи в этим возникает необходимость в разработке таких
методов водоподготовки, которые могли бы обеспечивать глубокую очистку больших
расходов природных вод от тяжелых металлов.
На традиционных очистных сооружениях процесс очистки воды от тяжелых
металлов происходит за счет связывания ионов тяжелых металлов в труднорастворимые
соединения и последующего выделения их в осадок. В ряде случаев, этот процесс лучше
протекает при избытке щелочного реагента, особенно извести. Продолжительность
отстаивания воды составляет не менее двух часов.
236

Наиболее универсальным методом удаления поверхностно-активных веществ
(ПАВ) из природных вод является озонирование (озоно-флотация) с последующей
очисткой воды на традиционных сооружениях. Такой же и более высокий эффеет может
быть достигнут предварительным коагулированием и осветлением воды.
Коагулирование позволяет также удалять из воды ПАВ. Так, обработка воды, содержащей до 10 мг/л
синтетических детергентов в виде трудноокисляемых алкилбензолсульфонатов, смесью
сернокислого алюминия и хлорного железа в кислой среде позволяет практически
полностью удалить загрязнения из обрабатываемой воды. Глубокая доочистка анионоак-
тивных и неионогенных ПАВ осуществляется сорбцией на аетивированных углях.
Таким образом, при подборе технологии подготовки воды, содержащий
антропогенные примеси, необходимо располагать информацией о факторах, влияющих на
качество исходной воды, определяющих типах загрязнителей, их расчетных концентрациях,
временном факторе присутствия в исходной воде н фазово-дисперсном состоянии
примесей.
14.2. Технологические схемы очистки природных вод, содержащих
антропогенные примеси
Для большинства существующих водопроводных очистных станций России до
настоящего времени попытка улучшить очистку воды от примесей антропогенного
происхождения при минимальных затратах обычно ограничивается использованием аэрации
воды в смесителях, применением новых коагулянтов и флокулянтов и устройством в
скорых фильтрах дополнительного слоя загрузки из гранулированного
активированного угля высотой 0,3-0,6 м. Однако, как показывает опыт, сорбционные свойства угля
(АУ) сохраняются в таких условиях работы не более чем на протяжении от полугода до
двух лет с момента его засыпки в фильтры. После 60-70 суток эксплуатации скорого
фильтра с верхним слоем АУ поверхность зерен сорбента покрывается не
отмывающимися тонкодисперсными илистыми взвесями, содержащими окись алюминия и другие
вещества, выносимыми из отстойников. В дальнейшем угольный слой фильтра
выполняет лишь роль верхнего, первого по ходу движения воды, крупнозернистого
фильтрующего слоя. Регенерацию отработанного угля на очистных станциях в России пока не
производят, в виду сложности процесса и большой стоимости технологического
оборудования. Досыпают фильтры новым углем марок АГ-3, АГ-5, БАУ и др. по мере его вы-
мыва, в среднем раз в один (два) года на 20-25 см.
В практике подготовки мутных и цветных вод сложного физико-химического
состава с преобладанием органических загрязнений, предпочтение отдается окислитель-
но-сорбционному методу, при котором на заключительном этапе продукты озонолиза
задерживаются на сорбционных гранулированных фильтрах с толщиной
фильтрующего слоя до 1,5-2,0 м, крупностью угля 1-2 мм и рабочей скоростью фильтрования
7-10 м/ч (рис. 14.1-10.4).
Для повышения эффективности работы сорбционных фильтров используют в
одном корпусе трехслойную загрузку из макро- и микропористых углей различных м^ок
с толщиной слоев от 0,5 до 1,5 м каждый и крупностью зерен от 0,4 до 4,0 мм. При
скоростях фильтрования до 10 м/ч и периодической водо-воздушной промывке верхнего
слоя такие сорбционные фильтры обеспечивают необходимую доочистку в течение
1-1,5 лет без химической или термической регенерации угля. Известно, что частичная
деструкция молекул органических веществ, при окислении их озоном может вьпвать
ухудшение их сорбируемости на зернах углей.
237

9 10
Рис. 14.1. Очистная станция обработки мутной цветной воды в контактном резервуаре, на
окислительной нагрузке, флокуляцней, осветлением, фильтрованием через песок
и гранулированный активный уголь, конечной дезинфекцией озоном и хлорированием:
1 - ввод исходной воды н ее перекачка насосом; 2 - контактный н накопительный резервуар;
3 - окислительная загрузка; 4 - лоток Паршаля; 5 - осветлитель типа «Циркулятор»; 6 - песчаный
фильтр; 7 - окисление озоном; 8 - фильтрование через фанулированный активный уголь; 9 -
конечная дезинфекция озоном; 10 - конечное хлорирование
3 КИ Ф _а_ 6 ПАУ 7
 "
Рис. 14.2. Схема очистки и обеззараживания мутных цветных вод, содержащих водоросли
и антропогенные примеси:
1 - исходная вода; 2 - микрофильтр; 3 - контактный резервуар первичного озонирования; 4 -
смеситель; 5 - камера хлопьеобразования; 6 - комбинированный осветлитель с блоками
тонкослойного отстаивания; 7 - фильтр с загрузкой из керамзита или горелых пород; 8 -контактный резервуар
вторичного озонирования; 9 - сорбционный фильтр; 10 - РЧВ; 11 - НС-П; 12 - ввод озоно-воздуш-
ной смеси; К - коагулянт; Ф - флокуляит; И - известь; ПАУ -порошковый уголь; X - хлор;
ТПФ - триполифосфат
Особую опасность представляет наличие в воде растворимых нелетучих и высоко-
кипящих средне- и высокомолек)шярных органических соединений (углеводороды,
СПАВ), способных образовывать кокшлексы и ассоциаты с тяжелыми металлами,
хлором, фосфором и другими элементами.
В таких случаях использование озона становится малоэффективным. Вместо него
целесообразнее использовать сорбционную доочистку дозировкой порошковых
активированных углей (ПАУ). Ввод ПАУ во избежание его непроизводительных потерь,
осуществляют перед осветлительными фильтрами в течение 5-10 суток с дозами 10-20 мг/л
в наиболее неблагоприятные периоды года (рис. 14.4). Широкому распространению
этого технологического приема препятствует отсутствие простого и экологически чистого
оборудования для подготовки и дозирования пылеввдного угля в обрабатываемую воду.
С учетом вышеизложенного, интерес для персонала водоочистных станций и
разработчиков новых технологий водоочистки представляют экологически чистые
технологии и сооружения для очистки и обезвреживашм воды.
238

<3-
Рис. \43. Териологическая с%ема очистки воды с применением озонирования
и освеглительно-сорбционных фильтров:
I - реактор первичного озонирования; 2 - смеситель; 3 - двухслойный фильтр ФПЗ(ОС) 4 -
реактор вторичного озонирования; 5 - насос; 6 - сорбциоиный фильтр; 7 - РЧВ; 8 - реагеитное
хозяйство; 9 -озонаториая; 10 - деструктор для разложения остаточиого озоиа; И -хлорагориая
^
Ли" ..
ты
i
Г^Ы
J
Рис. 14.4. Технологическая схема очистки воды с использованием порошковых угольных
сорбентов:
1 - водозабор; 2 - насос; 3 - смеситель; 4 - отстойник с камерой хлопьеобразования; 5 - скорый
фильтр; 6 - РЧВ; 7 - воздухозаборник; 8 - компрессор; 9 - бак для приготовления суспензии; 10 -
эрлифт; II - дозатор; 12 - подача порошкового активированного угля
Под экологически эффе1сгивными технологиями для очистки и обезвреживания
питьевой воды понимают такие, которые не привносят в процессе их использования
вредные отходы в окружающую среду и которые способны извлечь из природных
источников вредные для здоровья людей компоненты антропогенного происхождения без их
трансформации в другие канцерогены и вредного воздействия на работу самих
очистных сооружений.
К таким технологиям относятся физические и биологические методы предочистки
поверхностных вод, реализуемые путем: многоступенного безреагентного
фильтрования воды с использованием крупнозернистых префильтров (с горизонтальным и
вертикальным направлением фильтрационного потока); безреагентного фильтрования через
аэрируемые биореакторы, биофильтры и биосорберы (иногда с озонированием)
специальных конструкций.
239

Более широкое применение в практике водоочистки должны получить
комбинированные технологии, использующие на первой стадии механические и биологические
процессы предочистки непосредственно в водозаборном узле, а на второй - химические
или физико-химические с меньшими дозами вносимых реагентов.
К числу таких технологий относится очистка поверхностных вод с предочисткой в
искусственных водоемах за счет самоочищения и с искусственной интенсификацией
этого процесса, аэрированием или озонированием. Технология предусматривает
биотестирование воды для селекторного ее отбора, периодическую аэрацию (иногда
озонирование) с целью поддержания жизнедеятельности микроорганизмов и последующую
безреагентную или реагентную (с минимальным использованием реагентов) доочистку
на традиционных сооружениях. При этом уже на первом этапе очистки окисляемость
воды может снижаться на 30-50%, концентрация тяжелых металлов - на 50-90%, азота
аммонийного - на 50-80% .
С позиции гигиенических требований для более широкого внедрения таких
технологий в практику водоочистки требуют решения вопросы своевременной утилизации
отработанных «токсичных» растений.
Наиболее проверенными в опытно-производственных и эксплуатационных
условиях технологическими схемами водоподготовки некондиционньк подземных вод,
загрязненных антропогенными веществами, являются:
1. Аэрация - дегазация - обезжелезивание - адсорбция на ГАУ - ионный обмен на
клиноптилолите в Ыа*-форме - обеззараживание гипохлоритом натрия или кальция;
2. Аэрация - дегазация - коагулирование - фильтрование - озонирование -
адсорбция на ГАУ - обеззараживание хлором или хлорреагентами;
3. Аэрация - дегазация - озонирование - фильтрование (осветление,
обезжелезивание) - деманганация - адсорбция на ГАУ - УФ-обеззараживание. Вариантами схемы
является осуществление двойного озонирования с рекуперацией озона на первой ступени
и интенсификация вторичного (основного) озонирования с воздействием УФ-облучения
и дополнительного окислителя (Н2О2) и катализатора.
Очистка воды от микроколичеств диоксинов (полихлордибензодиоксинов (ГГХДД)
и полихлордибензофуранов (ПХДФ), содержащихся в подземных водах, может быть
осуществлена воздействием ультрафиолетового облучения (УФ), радиолиза,
озонирования, воздействия химических реагентов.
В связи с высокой стабильностью наиболее токсичного представителя -тетрахлор-
дибензодиоксина (ТХДД) - продолжительность необходимого воздействия достигает
нескольких часов. К примеру, для разрушения более 95% ТХДД путем озонирования
требуется не менее четырех часов при рН=10, что соответствует оптимальным
условиям для данной реакции.
Применимость коагуляции и флокуляиии с солями алюминия для удаления
микроколичеств ТХДД из воды исследовалась в работе для водных систем, содержащих
взвешенные частицы и без них. Методы коагуляции и флокуляции позволяют разрушать
системы, присутствующие в загрязненных водах-, «диоксины - вещества в коллоидном
состоянии - вода» и «диоксины - вещества в гетерофазном состоянии - вода» с
выведением большой части диоксинов из системы в виде осадка. Результаты исследований
показывают возможность достижения эффективности очистки воды коагуляцией от
диоксинов до 20-70% в зависимости от фона ксенобиотиков.
240

При исследованиях адсорбционной емкости угля FILTRASORB-300 по отношению
к различным галогенированным соединениям было установлено, что значения
адсорбционной емкости для двух представителей класса полихлорбифенилов (ПХБ), к
которому относятся и диоксины, составляют: 630 мг/г (ПХБ-123 2) и 242 мг/г (ПХБ-1221).
Данные приведены для равновесной концентрации ПХБ 1 мг/л при нейтральном рН, что
позволяет сравнить эту адсорбционную емкость с типовыми значениями для других
веществ. АУ является хорошим сорбентом для ПХБ и диоксинов.
Проведёные испытания сорбционной очистки воды в связи с обострением диокси-
новой проблемы в Башкирии подтвердили эффективность этого метода. При адекватной
предочистке фильтрацией через гранулированные активные угли (ГАУ) (типа СКД-515)
удаляется 93-97% всех типов диоксинов. Наиболее опасные изомеры диоксинов, 2,3,7,8-
тетра ПХДД и 1,2,3,7,8-пента ПХДД, извлекаются из воды сорбцией на ГАУ.
Ухудшение качества поверхностных вод в последние 30 лет под воздействием
антропогенных (техногенных) факторов обусловило необходимость повышения барьерной
(защитной) функции водоочистных станций хозпитьевого назначения.
В соответствии с предложенными классами вод (п. 10.5) и стратегией выбора
водоочистных технологий (п. 10.2) авторами был разработан ряд новых и
усовершенствованных технологических схем, область которых и особенности приведены ниже.
Для очистки мутных и постоянно сильнозагрязненных в течение года вод
предложена технология (рис. 10.5), включающая на первой стадии обработку воды в
биореакторе с носителями прикрепленных микроорганизмов.
r^k^ -.ЙЙГ'^
Рис. 14.5. Технологические схема очистки сильнозагрнзнеиных мутных поверхностных вод
с большим содержанием органических веществ:
1 - сооружения для приготовления и дозирования раствора коагулянта; 2 - то же, для извести;
3 - то же, для полиакриламида; 4 - установка для хлорирования воды; 5 - узел получения и
дозирования озойо-воздушной смеси; 6 - входная камера, совмещенная с биореактором; 7 -
смеситель; 8 - комбинированный очистной блок; 9 - контактный газожидкостный реактор; 10 -
контактный сорбционный двухслойный осветлитель; 11 - РЧВ; 12 - блок очистки промывных вод
241

в случае необходимости процессы биопредочистки интенсифицируются вводом перед
загрузкой биореактора дополнительного количества кислорода воздуха. На
последующих ступенях обработки вода смешивается с реагентами в смесителях мгновенного
действия и проходит стадию глубокой очистки в комбинированном сооружении,
реализующем последовательно процессы контактного хлопьеобразования, тонкослойного
отстаивания и фильтрования через неоднородную полимерную плавающую загрузку.
Наиболее устойчивые трудиоокисляемые антропогенные загрязнители подвергаются
последующему озонированию и обработке на стационарных адсорберах с загрузкой
комплексного назначения.
11 утилиза шш
Рис. 14.6. Технологические схемы очистки вод малой и средней мутности, содержащих
водоросли и трудиоокисляемую органику:
1 - микрофильтры; 2 - контактный резервуар первичного озонирования; 3 - смеситель трубный;
4 - контактная камера - префильтр; 5 - двухслойный контактный осветлитель;6 - РЧВ; 7 - НС-П;
8 - блок очистки промывных вод; 9 - реагентное хозяйство; 10 - узел получения и дозирования
озоно-воздушной смеси; 11 - хлораторная; 12 - фтораториая
Технологии, представленные на рис. 10.5-10.9, экономично оправданы для станций
средней и большой мощности F^25,0 тыс.м^/сут). Для станций небольшой
производительности (Q>5,0 тыс.м^сут), сооружаемых в районах, расположенных на значительном
расстоянии от баз стройиндустрии и производств реагентов, могут оказаться оправданы
технологии с применением электрофизических методов, электрокоагуляции-флотации,
озона с УФ и др. Такие станции могут быть построены без традиционных зданий или
выполнены в контейнерном варианте.
При использовании для хозяйственно-питьевых целей опресненной морской воды в
соответствии с требованиями международных стандартов ВОЗ и СанПиН 2.1.4.1074-01
требуется ее предварительное кондиционирование. Принципиальная схема
приготовления питьевой из морской опресненной воды, разработанная в НИИ ВОДГЕО под
руководством д.т.н. Егорова А.И., включает в себя блок приготовления, дозирования и
смешения с обессоленной морской водой диоксида углерода, блок обогащения
катионами Са^* на фильтрах с мраморной крошкой, сорбционный фильтр и блок приготовления
и дозирования в воду растворов извести, хлора и фтора.
242

Рис. 14.7. Технологические схемы очистки цветных вод с использованием двухкамерных
фильтров, озонирования н углеваиня:
1 - ввод хлора; 2, 3 - ввод коагулянта и флокулянта; 4 - входная камера с микрофильтрами,
смесительными устройствами и контактной камерой хлопьеобразования; 5 - двухкамерный фильтр с
комбинироваиной загрузкой;6 - бункер порошкового угля; 7 - блок получения озоно-воздушной
смеси; 8 - РВЧ; 9 - комбинированное сооружение для очистки промывных вод
-J^
I С1 j СН
-20-,
"TT^'^^lVcii»
Рис. 10.8. Технологическая схема подготовки цветных маломутных вод, подвергшихся
повышенным антропогенным нагрузкам:
1 - трубопровод исходной воды; 2 - входная камера; 3 - контактный резервуар первичного
озонирования; 4 - трубопровод подачи воды на префильтр; 5,6,9 - двухкамерный фильтр с плавающей
и ; 7 - центральный канал; 8 - трубный смеситель; 9 - двухслойный фильтр с тяжелой загрузкой;
10 - трубопровод очищенной воды; 11 - РЧВ; 12 - блок предподготовки и дозирования
мелкогранульного сорбента; 13 - сооружение для отстаивания промывной воды; 14 - насос; 15 - озонатор;
16 - трубопровод подачи озоно-воздушной смеси; 17 - трубопровод подачи осадка на уплотнение;
18 -трубопровод отвода промывной воды; 19 - блок приготовления коагулянта; 20 - блок
приготовления флокулянта; 21 - хлораторная
243

Л-
.i3_
т lit щ ягштш
о
^Л1
_а_
Рис. 14.9. Технологнческаи схема очистки высокомииерализоваииых вод, содержащих
антропогенные примеси:
1 - биореактор; 2 - трехслойный осветлительно-сорбционный фильтр; 3 - электродиализная
установка; 4 - обратноосмотическая установка; 5 - сорбционный фильтр; 6,7 - рН-корректор; 8 -
резервуар чистой воды; 9 - блок выпаривания солей; 10 - узел осветления промывных вод
Химический состав морской воды после обессоливаиия на обратно-осмотической
установке (ООУ) и ее дальнейшего кондиционирования по описанной выше схеме,
представлен в таблице 14.1.
Таблица 14.1
Физико-химический состав соленых, опресненных и
кондиционных (питьевых) вод
Показатели и
компоненты
Температура, °С
РН
Солесодержание, мг/л
Жесткость общая, ммоль/л
Щелочность, ммоль/л
Иоииый состав, мг/л:
кальций
натрий+калий
магний
гидрокарбонаты
сульфаты
хлориды
свободная углекислота
фтор
Показатели коррозионной
активности;
УУ, =
УУ,=
сг
sot
нсо.
С\- +801
Индекс стабильности (У/. )
Каспийского
моря
18-22
8,15-8,30
13500
78
3,8
337
3428
786
174
3207
5590
-
1,9
0,11
0,13
+0,8
Вода

Минерализованная

(артезианская)
7-9
60,5-7,2
2500
3,5
60
920
850
45
1,0

Обессоленная

дистилляцией
28
7,15
20-30
0,21
0,4-ОД
0,3-2,4
4,3
0,8
5,6
4,4
5,0
2,5
0,1
0,54
0,58
-2,5-1,8

Обессоленная
на ООУ
25
8,6
407,2
0,4
0,8
0,05
23,1
210
0,07

Кондиционная

(питьевая)
25
8,2
622
5-7
.3,1
54,6
2,8
>20
182,4
<250
211
2,1
>0,7-1,1
244

14.3. Биологические методы очистки воды
Использование управляемых биоценозов в системах очистки природных вод
базируется на поглощении и минерализации гидробионтами взвешенных веществ, на
которых как правило сорбируются техногенные загрязнения.
Химические и биологические процессов взаимодействия биоценозов водотоков с
ингредиентами природного и техногенного происхождения загрязняющими воду,
характеризуются:
минерализацией органических веществ гетеротрофными гидробионтами за счет
деятельности аэробных бактерий и простейших;
биоседиментацией, основанной на биокоагуляции пресноводных и двухстворчатых
фильтратов-малюсков типа;
биологической детоксикацией, основанной на использовании токсикантов как
источника пищи и доминаторв кислорода;
фотосинтетической аэрации - способности нитчатых (эпифитных) водорослей
продуицировать кислород (до 3-5 гОз/м^ сут).
К методам биологической предочистки и очистки природных вод, содержащих
антропогенные прнмеси относятся:
- очистка воды (отстаивание, отстаивание с принудительной аэрацией или
озонированием) в наливных искусственных водоемах и каскаде естественных озер и проточных
водоемов;
- очистка воды в каналах и водоемах с высаживаемыми в них водных растений
(тростник, рогоз, ирис и др.), включая наплавные биоплато;
- очистка воды в биореакторах с носителями прикрепленных микроорганизмов,
размещаемых в водозаборных узлах и входных сооружениях очистных станций.
Первые два метода частично рассмотрены в п. 12.4.
Третий, наиболее индустриальный метод, реализуется на относительно простых по
конструкции биореакгорах (биофильтрах) с волокнистой или гранулированной насадкой.
В России и за рубежом производится достаточно много полимерных нитей и
тканей, пригодных в качестве носителей для пpиIq)eплeнныx микроорганизмов. К ним
относятся полиэтилен, капрон, лавсан и др.
Наиболее широко в качестве насадок для закрепления микроорганизмов могут
использоваться полиамидные материалы, отдельные звенья макромолекул которых
соединены между собой амидными группами (-NH-CO-), а материалы характеризуются
общей формулой [...-NHC0(CH2)kNHC0-...].
К материалам-носителям из естественного минерального сырья относятся
вспученные керамзиты, шунгизит, редоксид. Их свойства и основные технологические
характеристики приведены в п. 14.2.
Волокна, изготовленные из полиэтилена и полипропилена, обладают высокой
прочностью и стойкостью к действию микроорганизмов, они нерастворимы в воде, спирте,
минеральных кислотах (серной, соляной и др.) и щелочах. Капрон также нерастворим в
воде, обладает стойкостью к действию микроорганизмов, не токсичен, неустойчив по
отношению к ряду минеральных кислот (серной, соляной, азотной), при этом высоко
устойчив к щелочам.
Одним из основных параметров, влияющих на эффективность работы волокнистых
насадок, является степень наполнения ими объема корпуса биореактора:
245

ф:
W d^l N
' волок _ в Ш1 в
W d Н
' ах.частм ^ ак.части ак.частя
A4.5)
где Wg^g^ - объем всех загруженных волокон, м^; Wok.,^^ - объем активной части
бнореактора (занимаемой волокнами), м^; d, - диаметр волокна, мм; /„ - длина
волокна, м; Ng - количество волокон в биореакгоре, шт.; (/„„^^^„^ -диаметр активной части
биореактора, мм; Нд^,^„^- толщина слоя волокон, м.
При погружении волокнистой загрузки в воду происходит ее сжатие под действием
вьггалкивающей силы Архимеда. Полиэтилен и полипропилен имеют жесткую
структуру. Капроновые волокна, напротив, хорошо сжимаются при погружении в воду. Это
позволяет значительно уменьшить количество капроновых волокон при формировании
необходимой степени наполнения. Относительная величина сжатия слоя волокон е может
бьпъ определена по формуле:
8 = -
/.,
A4.6)
где /„ - длина волокна в сжатом виде.
Основные параметры, характеризующие загрузки в исследованных биореакгорах,
приведены в табл. 14.2.
Таблица 14.2
Хараюеристика параметров загрузки
Тип волокна
ЁкЮИ
Полиэтилен
Полипропилен
Диаметр,
d^ , мм
0,5
0.4
0,4
Длина,
0,40
0.39
0,38
Толщина
слоя, /„ , м
85
230
230
Степень
наполнения биореактора
насадками
0,15
0,15
0,15
Использование управляемых биоценозов на водозаборах и очистных станциях
требует в каждом конкретном случае особого рассмотрения. При использовании воды из
поверхностных водоисточников размещение биореактора возможно непосредственно в
оголовке руслового водозабора или в приемном отделении НС-1. При этом необходимо
учитывать реальные, достаточно высокие входные скорости потока воды в
водозаборный элемент. Конструкция биоректора рассчитывается так, чтобы не происходило
разрушение (отрыв) элементов наживления биоценоза.
Для эффективной очистки воды при высоких скоростях потока необходимо
использование материала с высокой удельной поверхностью.
По мере зарастания загрузки производят ее промывку. Этот период работы
биореактора является одним из важнейших, ибо от этого зависит дальнейшая эффективность
работы биореактора. Несвоевременная очистка загрузки от налипшей биомассы может
вызвать вторичное загрязнение воды. Правильно назначенная интенсивность и
продолжительность промывки повышает эффективность работы биореактора.
246

При интенсивности 15-20 л/с-м^ и продолжительности промывки водой сверх вниз
до 3-6 минут с поверхности загрузки удаляются накопившиеся продукты метаболизма и
взвешенные вещества, а биоценоз обрастания разрушается лишь частично н
достаточно быстро восстанавливает свою прежнюю активность.
На рис. 14.10 показана схема оголовка руслового типа с насадкой для
прикрепленных микроорганизмов.
Рис. 14.10. Конструкции руслового оголовка:
1 - рыбозащитный козырек; 2 - железобетонный оголовок; 3 - загрузка; 4 - отвод воды к
водоприемному колодцу; 5 - система отвода промывной воды
Для предотвращения попадания в оголовок мальков рыбы предусматривается
рыбозащитный козырек 1. Внутри оголовка располагается загрузка 3 для наживления
биоценоза обрастания, при проходе через который происходит частичное извлечение
органических и неорганических примесей из воды. Отвод воды на дальнейшую очистку
производится по трубопроводу 4. Промывка загрузки предусматривается обратным
током воды из берегового колодца. При сильном зарастании загрузки в промьгеную воду
дополнительно добавляют обеззараживающий раствор медного купороса. Возможно
использование берегового водоприемного колодца (рис. 14.11). Исходная вода по
трубопроводу 1 подается в приемное отделение колодца. Загрузка из волокон крепится на
каркасе 3 и располагается между задвижкой и входным отверстием во всасывающее
отделение. Для предотвращения попадания оторвавшихся хлопьев биоценоза во
всасывающее отделение, перед входным отверстием во всасывающее отделеиие дополнительно
могут устраиваться фильтрующие кассеты, заполненные крупными гранулами пенопо-
листирола.
Удаление осадка периодически производится с помощью гидроэлеватора 4.
Для промывки биореактора и фильтрующих кассет предусматриваются
специальные резервуары, расположенные в наземной части колодца, в которых с помощью
напорного шланга производится отмывка загрязнений от загрузки. Извлечение загрузки и
кассет производится ручной или электрической талью. Свободный доступ к загрузке
биореактора позволяет оперативно изменять степень наполнения, производить промывку
247

и замену волокон. При необходимости повышения концентрации растворенного
кислорода к биореактору может быть подведен воздухопровод от компрессора. Для
поддержания колодца в надлежащем санитарном состоянии его периодически необходимо
обрабатывать обеззараживающим раствором.
Рис. 14.11. Конструкция водоприемного колодца:
1 - трубопрювод подачи исходной воды; 2 - стенки колодца; 3 - каркас с загрузкой; 4 - гидрюэле-
ватор; 5 - всасывающий трубопровод НС 1; 6 - перфорированная перегородка
Такая конструкция биореактора не требует значительных капитальных затрат, ибо
большинство из перечисленных элементов (гидроэлеватор, таль, лебедка и др.)
имеются на большинстве водозаборов. Небольшие дополнительные затраты связаны лишь с
приобретением загрузки и ее монтажом. Крепление загрузки осуществляется сверху и
снизу к армированной сетке с размером ячеек 0,1x0,1 м. Извлечение загрузки
предусматривается с помощью ручной лебедки в павильоне на поверхности водоприемного
колодца. Осадок, накопившийся на дне водоприемного колодца, удаляется
гидроэлеватором. Промьшка загрузки осуществляется подачей воды по напорному трубопроводу
непосредственно в водоприемный колодец или после извлечения загрузки на поверхность
в специальной емкости из напорного шланга. При сильном заилении загрузки, для
предотвращения развития патогенной микрофлоры предусматривается промывка водой,
содержащей обеззараживающий агент.
Перспективным является также сооружение, совмещающее префильтр (биореак-
тор-ФПВЗ) и фильтр глубокой доочистки ФПЗ-4 (рис. 14.12). Исходная вода подается по
трубопроводу 1 и, фильтруясь снизу вверх через загрузку из дробленого пенопласта,
освобождается от грубодисперсных примесей. Верхний удерживающий слой в префильт-
ре выполнен из синтетических волокон, являющийся так же элементом наживления
биоценоза обрастания. Для повышения эффективности очистки предусмотрена
дополнительная аэрация. Далее вода проходит глубокую доочистку на фильтре ФПЗ-4.
Использование такой конструкции префильтра позволяет, в зависимости от качества исходной
воды, легко изменять степень наполнения за счет способности плавающей загрузки
сжимать волокнистый слой. Это также позволяет избежать быстрой кольматации волок-
248

нистого слоя при высоком содержании взвешенных веществ в исходной воде. При
необходимости обеззараживания воды и сооружений предусматривается подача
необходимых реагентов.
5-.,
^И:^
-SS8SSJ«SiSiS5!i5SS!SSSS>\«SJiSSi^S^^
1
Рис. 14.12. Биореактор совмещенный с ФПЗ-4:
1 - подача исходной воды; 2 - плавающая загрузка; 3 - подача воздуха; 4 - загрузка из волокон;
5 - трубопровод подачи промывной воды; 6 - фильтр ФПЗ-4; 7 - отвод фильтрата; 8 - отвод
промывной воды
При использовании на очистных сооружениях водопровода микрофильтров или
барабанных сеток, биореактор возможно разместить в приемном кармане. Путем
переоборудования или замены самого барабана, с использованием в качестве загрузки
волокнистого фильтрующего материала. При переоборудовании барабана возможно несколько
вариантов крепление к каркасу барабана дополнительных элементов наживления,
например волокон. При необходимости более глубокой очистки воды на предварительной
стадии ее обработки возможно применение микрофильтра с плавающим фильтрующим
слоем. Такая конструкция заметно снижает содержание растворенных органических
веществ, грубо- и мелкодисперсных примесей в воде до ее обработки воды реагентами.
Новая конструкция комбинированного сооружения, сочетающего в себе биореакгор
и контактный осветлительный фильтр с плавающей загрузкой показана на рис. 14.13.
Исходная вода поступает в биореактор 1 по трубопроводу 2, с помощью отражателя 3
разбрызгивается в надфильтровом пространстве и, обогащаясь кислородом воздуха,
поступает в толщу загрузки 5 биореактора, на поверхности которой развивается естественный
биоценоз, поглощающий из воды растворенные органические загрязнения.
Во время «зарядки» биореакгора и в периоды ухудшения качества исходной воды
предусмотрена дополнительная подача воздуха через распределительную систему 6.
Частично очищенная вода поступает в зону 7 с большей площадью поперечного
сечения. За счет уменьшения скорости движения воды и направляющих козырьков 8,
предотвращающих проскок биомассы, хлопья оторвавшейся биопленки оседают на дно.
Отвод воды из биореактора осуществляется по трубопроводу 9, где происходит
смешивание с вводимыми реагентами 10. Далее вода поступает на фильтр с плавающей
фильтрующей загрузкой 11 и отводится на дальнейшую очистку по трубопроводу 12.
249

ы
12
У ••• • • • •'•iiVi •tN'fiV*!* •
p* •••'•••.• •••«•• •«••••'«
П П П о ^
Ol
^
^^-
13
*H
Рис. 14.13. Схема биореактора и контактный осветлительный фильтр
Время, необходимое для образования на поверхности материала загрузки
биоценоза обрастания, в количестве и качестве, достаточном для его эффективного
взаимодействия с органическими веществами в природной воде, называется временем «зарядкю)
биореактора. Оно эквивалентно продолжительности работы биореактора с момента
пуска его в работу до начала снижения перманганатной окисляемости на 10 %. При
достижении такого эффекта очистки заметно снижается хлоропоглощаемость воды (на 5 %).
Промывка загрузки биореактора и плавающей загрузки фильтра производится
автоматически и одновременно, после зарядки сифона на отводе промывной воды, по
трубам 4 и 13.
Согласно исследованиям, проведенным к.т.н. Ж.М.Говоровой и к.т.н. М.В.
Орловым при осветлении воды оптимальной степенью наполнения волокнами биореакгора
следует считать 0,2...0,3. По данным к.т.н. А.Н.Квартенко при обезжелезивании
подземных вод степень наполнения следует принимать в пределах от 9 до 16 волокон на 1 см^.
Поверхностные воды содержат большее количество взвеси по сравнению с
подземными. Для предотвращения быстрой кольматации загрузки степень наполнения
биореактора, в случае использования волокон как носителей прикрепленной микрофлоры,
рекомендована в пределах 0,15...0,2.
На рис. 14.14...4.16 показано снижение пермангантной окисляемости, химического
потребления кислорода и азота аммонийного при разной степени наполнения и
температуре воды 8С. Анализ графиков показывает, что при наибольшей степени наполнения
эффект очистки от этих ингредиентов достигал 20-35 %. Из графиков видно, что эффект
очистки воды зависит от времени «зарядки». Так, для ф=0,2 оно минимально и
составляло чуть более 1-2 суток, при ф=0,15 - около 3 и ф=0,1 - 5 суток. Промывка загрузки
250

биореактора и плавающей загрузки фильтра роизводится автоматически
одновременно, после зарядки сифона на отводе промывной воды, по трубам 4 и 13.
0,%
20
15
10
^^""""''''^ <
> ^^^,.,.-'--*'
3
1
^^^^'^
2
^^,g0f^
л
1
~~\^1
' ' " ^\.
о
1
8 Т, сут
Рис. 14.14. Динамика сниженна пермаиганатиой окнслаемости при различной
степени шшолиенна:
1 - ф=0,1; 2 - ф=0,15; 3 - ф=0,2; исходная вода - /=8 «С; ПО - 7,6-8,4 мгОг/л;
ХПК - 26,0-31,4; мг Ог/л; NH4* - 0.55-0,65 мг/л.
При анализе обрастания и осадка в пробах было обнаружено: множество мелких
криптомонад (Cryptomonas sp., Rhodomonas sp.); детрит; обломки панцирей диатомовых
(Synedra, Navicula, Melosira). Среди организмов зоопланктона отмечены Chydoras
ovalis, Chydorus sp. На основании полученных данных была установлена степень
наполнения загрузки бнореактора, принимаемая в зависимости от качества исходной воды и
параметров работы биореактора. В зимнее время при температурах близких к (У>С и
незначительном содержании взвеси следует применять наибольшую степень наполнения.
При температуре воды более 8'С степень наполнения объема бнореактора загрузкой
может быть уменьшена до 0,1.
Э,%
20
15
10
3\ 1
<
l^-""^"
2-^
|_ "
1
.
К
' ,1 —-^
1
1 -
1
Т, сут
Рис. 14.15. Динамика измененна ХПК при различной степени наполнеина:
1 - ф=0,1; 2 - ф=0,15; 3 - ф=0,2
Исходная вода -1=8 «С; ПО - 7,6-8,4 мгОз/л; ХПК - 26,0-31,4; мг Ог/л; ЫНд* - 0,55-0,65 мг/л.
251

э.%
50
40
30
20
10
..^
>
^
л
:^
■' ч
^ 2..
г^^"^
1
1
1
1
1
<к ^. !'
м
о
Т.сут
Рис. 14.16. Динамика эффективности удаления аммонийного азота
при различной степени наполнения биореактора загрузкой:
1-ф=0,1;2-ф=0,1 5;3-ф=0,2
Исходная вода - /=8 "С; ПО - 7,6-8,4 мгОг/л; ХПК - 26,0-31,4 мг Ог/л; NH4'^ - 0,55-0,65 мг/л.
Сложность состава природных вод, наличие в ней широкого спектра органических
и неорганических веществ, реагирующих с хлором, является причиной того, что до
настоящего времени эти процессы комплексно оценить можно лишь суммарной
характеристикой - величиной хлоропоглощаемости. Исходя из величины хлоропоглощаемости
назначается доза первичного хлора. Увеличение дозы хлора при обработке вод,
содержащих органические примеси, в том числе техногенные, способствует росту
концентрации в воде ЛХС. Поэтому, добиваясь снижения содержания органических веществ
биологическими методами в исходной воде на первой стадии ее обработки, можно
исключить (существенно снизить) количество вводимого в исходную воду хлора, а,
следовательно, и предотвратить образование токсичных тригалогенметанов. Коэффициент
степени наполнения в значительной степени влияет и на скорость обрастания и на
поддержание высокой концентрации биомассы в биореакторе. Температура воды существенно
влияет на жизнедеятельность микроорганизмов и, как следствие, на эффективность
изменения хлоропоглощаемости.
Скорость фильтрования воды через слой носителя влияет на условия
формирования устойчивого биоценоза обрастания. Так, при высоких скоростях фильтрования
будет происходить преждевременное разрушение биоценоза, а при слишком малых -
может оказаться недостаточной величина поступления питательных веществ для
нормальной жизнедеятельности микроорганизмов.
Для оценки влияния факторов учитывалось также их взаимное влияние
(нелинейная модель). На основании полученных данных установлено, что полученная линейная
и нелинейная модель в пределах рассматриваемых границ варьирования переменных
адекватны (проверка по Фишеру), опыты воспроизводимы (проверка по критерию Кох-
рена), все коэффициенты значимы (проверка по критерию Стьюдента).
После «зарядки» биореактора эффективность снижения хлоропоглощаемости
может быть определена по формуле A4.7).
252

= 0,96 - 0,02/ - 0,22ф + 0,0 lu • A4.7)
ХП„
Ограничение применимости предложенной формулы: при изменении температуры
/ от 4 до ЦОС и скорости фильтрования v=2...7 м/ч. Относительная погрешность в
расчетах не превышала 10 %. При расчетах для температуры воды менее 40С и более 12'ЧГ,
эффективность снижения хлоропоглощаемости воды может быть рассчитана как для
фаничных значений.
При нелинейной модели зависимость имеет вид:
ХП
-^^^ = 0,94 - 0,02/ - 0,27ф + 0,02и - 0,004/ф - 0,001/и + 0,02фи .A4.8)
Средняя относительная погрешность данной формулы не превышает 6 %, что
позволяет использовать ее при инженерных расчетах. При возрастании температуры воды
и степени наполнения эффективность очистки увеличивается, а при увеличении
скорости - снижается.
Точно определить значение продолжительности «зарядки» и период полезной
работы биореактора сложно, ибо в ряде случаев на нее могут оказывать значительное
влияние не учитываемые факторы (солнечная радиация, повышенные концентрации
ядохимикатов и др.).
На основе экспериментов и применения законов математической статистики с
использованием ЭВМ предложена формула для определения f,^:
19,5u''-^
( Ф^конт.ПО
Относительная ошибка между значениями, полученными опытным путем,
составила 12,5 %.
Зависимость полезной продолжительности работы биореактора от исследуемых
факторов имеет вид:
3321/'''^^
/ = ''°"^- . A4.10)
" /''•^^''•"ф''-^''no''-'
Относительная ошибка между значениями, полученными опытным путем и
вычисленными по выше приведенной формуле, составляет 18 %.
Эффективность работы комбинированного сооружения «биореактор-КФПЗ-1»,
схема которого представлена на рис. 14.13 приведена в табл.14.3.
К.т.н. М.В. Орловым была изучена динамика обрастаний волокнистой насадки. Для
этого волокна аккуратно извлекали из колонки с капроновыми нитями, десорбировали с
них организмы-обрастатели дистиллированной водой, десорбат высушивали при ЮЗ^С
до постоянной массы (гп^^р). Волокнистую насадку после десорбции высушивали на
воздухе и определяли ее массу (т^. Величина удельного обрастания (С, г/г носителя)
рассчитывалась по уравнению:
С =—^ , г/г носителя. A4.11)
вол
253

Таблица 143
Эффективность очистки воды на бнореакторе н контактном осветлителе
Показатель
Цветность, град
Мутность, мг/л
Хлоропоглощаемость, мг/л
ПО, мгОг/л
Аммиак, мг/л
ХПК, мгОз/л
О2, мгОг/л
Исходная вода,
46...54
2,2...3,0
].1...2,0
8,0...9,2
0,6...0,68
22,8...26,4
6,8...7,2
После биореактора
44...52
1,4...2,4
0,9... 1,3
6,4...7,8
0,55...0,6
20,6...24,6
4,2...6,8
После КО
18...20
не обнаружеиа
не обнаружена
4,8...5,0
0,52...0,6
16,4... 18,0
не опр.
На рис. 14.17 показана динамика изменения обрастания насадки биомассой.
2,4 _.
t°C,nO ш-Ог/л
9(Л ■
1^-1
8i
Л .
О"
И* 1
--
о
6ю 5
,2
1
2
3
5 6 7 8
Месяцы года
10 И
12
Рис. 14.17. Динамика изменения температуры воды р. Вологды (■),
окисляемости (х, о) до и после обработки в биореакторе и
концентрации биомассы (▲) на носителе
При сопоставлении данных по изменению концентрации биомассы и перманганат-
ной окисляемостием в течение года видно, что в периоды ухудшения качества воды и
возрастания температуры (апрель-октябрь) наблюдается более высокая интенсивность
обрастания на носителях (до 0,6...0,8 г/г насадки). Отключение установки на промывку
осуществляется при ухудшении качества фильтрата или достижения предельных потерь
напора.
Время, необходимое для отмывки загрузки, определяется по кривой кинетики
выноса загрязнений при промывке. При промывке совместно биореактора и пенополисти-
рольного фильтра несколько меняется интенсивность выноса загрязнений по
сравнению с промывкой только пенополистирольных фильтров. Результаты промывки
приведены на рис. 14.18.
Анализ графика показывает, что в начальный период времени вынос загрязнений
наиболее интенсивно происходит из биореакгора, и только приблизительно через 1
минуту с начала промывки начинается вынос загрязнений из пенополистирольного
фильтра. Задержку во времени можно объяснить тем, что в начальный период времени
сначала происходит резкое падение уровня воды в биореакторе, так как загрузка из волокон
254

имеет значительно меньшее сопротивление по сравнению с пенополистиролом. При
снижении уровня воды в биореакгоре до некоторой критической отметки начинается
расширение загрузки из пенополистирола и вынос накопившихся загрязнений. На графике
это характеризуется резким возрастанием концентрации взвешенных веществ в
промывной воде. Необходимая продолжительность промывки составляет не менее 4 минут.
а, мг/л 800
to, МИИ
Рнс. 14.18. Кинетика выноса загрязнений при совместной промывке бяореактора н
пенополнстирольного фильтра с 9=12 18л/см^
14.4. Озонирование природных вод
В связи с малой растворимостью озона на процессы предозонирования и
обеззараживания воды влияют не только его доза, но и концентрация озоно-воздушной смеси,
способ ее распределения в обрабатываемой воде, высота контактного резервуара н
время пребывания воды в нем, содержание органических и минеральных примесей в воде
и ее температура.
Влияние присутствия в комплексах техногенных зафязнителей разных типов на
эффективность предочистки озонированием весьма мало изучена. С экономической
точки зрения ввод озоно-воздушной смеси целесообразно осуществлять в предварительно
очищенную от органических и минеральных примесей воду.
По литературным данным расход озона на обесцвечивание воды, в зависимости от
ее качества может колебаться в весьма широком пределе - от 0,15 до 20 мг/л О3.
Причем для снижения на 100% исходной цветности требуемая доза О3 в 50 раз больше, чем
при обеспечении снижения исходной цветности на 50%.
Как показывает опыт эксплуатации водоочистных станций, при использовании
озонирования воды солевой состав, СО2, рН, щелочность практически не изменяются.
Опыт наших исследований показывает; что при холодных маломутных цветных
водах обеспечить снижение малых количеств взвеси (до 5-10 мг/л) до норм СанПиН
2.1.4.1074-01 не удается.
Введение озона на начальной стадии обработки как правило позволяет уменьшить
дозу коагулянта (сульфата алюминия) на 15-25% за счет обесцвечивания и флокулиру-
ющего эффекта. Известно воздействие озона на металлы с высоким значением
окислительно-восстановительного потенциала (Мп, Fe, Со, РЬ и др.). Хлопья их гидроокиси
задерживают впоследствии отстаиванием или фильтрованием. Озон является одним из
255

наиболее активных реагентов-окислителей соединений серы. Для окисления 1 мг
соединений серы требуется 0,6-1,4 мг О3.
Зарубежный опыт и исследования, проводимые в России, показывают, что
озонирование воды с последующим фильтрованием через гранулированные активированные
угли обеспечивает эффективную нитрификацию аммонийного азота в щелочной среде.
Предозонирование обеспечивает окисление Мп^^ и Мп*+ и насыщение воды
растворенным кислородом, необходимым для жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий в
толще угольной загрузки. Однако, при средних и больших производительностях
станций этот технологический прием должен обосновываться экономически.
Универсальность применения озона заключается не только в эффективной
деструкции основных техногенных ингредиентов, но и в исключении образования тригалоген-
метанов при отказе от первичного хлорирования, высоком обеззараживании и
бактерицидной защите очистных сооружений.
Исследования процессов озонирования воды, содержащей фенолы, показали, что
этот ингредиент интенсивно окисляется при дозах озона 2-8 моль Оз/моль фенола. При
обеспечении озонирования в щелочной среде может быть достигнута высокая
эффективность окисления фенола по ХПК - до 80%. Озон окисляет фенолы до веществ, ие
имеющих запаха и вкуса (углекислый газ, муравьиная и щавелевая кислоты).
Установлено эффективное удаление озоном ПАВ. Дозы назначаются в конкретном
случае разные. Так, на стадии первичного озонирования, при концентрации ПАВ до 5-
6 мг/л и цветности исходной воды до 103 град, достаточная доза озоно воздушной
смеси с концентрацией 6 мг/л составила 2-2,5 мг/л (рис. 14.19). Эффективность
озонирования природных вод, содержащих нефтепродукты, зависит от вида последних и
заключается в деструкции и образовании легколетучих компонентов. В ряде случаев озон
превращает их в не растворимые вещества вместе с подложкой, на которой они ранее
адсорбировались.
~з г
Рис. 14.19. Выбор дозы озона на стадии предозоиироваиия
Достаточно обширным экспериментальным материалом доказана высокая эффекгив-
ность озонирования при удалении хлорсодержащих и фосфорсодержащих органических
пестицидов. Однако режимы озонирования в каждом конкретном случае нужно тщательно
256

обосновывать контрольными анализами на предмет выявления возможного образования
канцерогенных вторичных продуктов. Удельные дозы озона для обработки разных пестицидов
колеблются в пределах от 0,5 до 7,5 мЮз/мг вещества при рН=7-12.
Некоторые хлорорганические пестициды не вступают с озоном в реакцию и при
дозах окислителя 20 мг/л. Другие подвергаются деградации, но требуют повышенных доз
и более длительного контакта озона с обрабатываемой водой. Продукты реакции
некоторых пестицидов с озоном более токсичны чем исходные вещества. Так, продукт
реакции озона с гептахлором является более токсичным чем сам гептахлор.
Фосфорорганические пестициды могут быть окислены озоном с повышенными
дозами. Так, при содержании в поверхностном водоисточнике фосфорорганических
пестицидов 0,3 мкг/л удалось снизить их содержание на 80% при дозе озона 1,5 мг/л и
времени обработки не менее 12 минут.
Таким образом, применение первичного озонирования цветных маломутных вод,
содержащих антропогенные примеси, является эффективным и экономически
обоснованным. К тому же этот метод является и более экологичным по сравнению с
хлорированием.
Особенностью применения предозонирования в данной технологии является его
высокая маневренность и гибкость в эксплуатации. В периоды года, когда вода в
водоисточниках относительно чистая (Ц < 25 град., М < 10 мг/л), на станциях озон может
не использоваться. Технология водообработки в это время заключается лишь в реагент-
ном контактном фильтровании через зернистую среду.
Фактор возможного образования вторичных токсичных продуктов озонолиза
обуславливает и режим применения сорбции в новой технологии. В данном случае
предпочтение следует отдать порошковому углеванию, а не стационарным адсорберам с
активированным углем, работающим на скоростях фильтрования до 10 м/ч.
Изучение сотрудниками НИИ ВОДГЕО воздействия окислителей (озон, хлор,
кислород, марганцево-кислый калий) в режиме каталитического и биокаталитического
процесса на цветные воды открыло явление периодической устойчивости полифенольных
соединений к деструктивному окислительному воздействию в зависимости от их
молекулярной массы. Эти явления подтверждены экспериментальными зависимостями
общего органического углерода (ООУ) от молекулярной массы органических веществ (к
примеру гуминовых и фульвокислот) и ростом СОУ от продолжительности
озонирования. Вторым специфичным фактором, который необходимо учитывать при образовании
предозонирования взамен первичного хлорирования, является уникальность,
энергоемкость и большая стоимость озонаторного оборудования. Предозонирование
целесообразно осуществлять в первую очередь на тех водоисточниках, которые характеризуются
преобладанием в большую часть года цветными и весьма маломутными водами с
низкой температурой воды. В этом случае одно предозонирование без дополнительного
применения других реагентов позволит обеспечить качество воды до норм СанПиН
2.1.4.1074-01, если цветность исходной воды не превышает 50-70 град. При большей
цветности и мутности до 30 мг/л предозонирование позволит существенно сократить
расход коагулянта и флокулянта, а в отдельных случаях - ограничиться лишь одним
флокулянтом катионного типа на последующих стадиях водообработки.
Обработка природной воды озоном с целью ее обесцвечивания и обеззараживания
- достаточно эффективный и изученный метод. Предполагают, что окисление озоном
соединений в водных растворах является результатом реакций свободных радикалов:
9 - 9858 257

ОН-ОН-^Н^О + 0 A4.12)
0 + ОН-^НО^ A4.13)
2Н0^^Н^0 + 0^ A4.14)
в природных водах Северного и Северо-Западного региона, характеризующегося
повышенной цветностью, последняя обусловленна в основном гуминовыми- и фульвокис-
лотами почвенного и торфяного происхождения, как естественного, так и
антропогенного (например, растительные экстрактивные вещества при лесосплаве) происхождения.
На интенсивность окисления гумусовых веществ озоном в большей степени
сказывается влияние рН и фракционный состав водного гумуса, и в меньшей степени -
температура и ионный состав.
Увеличение в составе воды фульво- и креповых кислот резко ухудшает процесс
обесцвечивания. В условиях водоподготовки на станциях реакция озонирования
происходит в переходной области (между кинетической и диффузионной). Опыты
сотрудников ИКХХВ (г. Киев) показали, что обработка до 70% раствора гуминовых кислот
озоном не связано с их деструктивным окислением. Это подтверждается тем, что всего
лишь 4% углерода переходило в углекислый газ.
Процесс озонирования природных вод - весьма сложный и включает в себя
абсорбцию озона водой с образованием озонного раствора и взаимодействие его с
находящимися в воде компонентами. Одновременно с этими процессами происходит распад озона.
Обычно баланс используемой озоно-воздушной смеси в процессе водоподготовки
складывается из расхода на полезное действие (в основном обесцвечивание и
обеззараживание, при отсутствии значительных концентраций ингредиентов антропогенного
происхождения) - до 50-80%; потери напора из контактного резервуара - до 10-25%;
самопроизвольного разложения озона в воде и в воздухе - до 5 - 10%; остаточного
содержания озона в воде после контактного резервуара (или диффузионного напорного
аппарата)-1-3%.
Выполненные ранее сотрудниками НИИ ВОДГЕО исследованиями на воде рек
Волга, Днепр и Вологда было установлено, что эффективное обесцвечивание этих вод с
исходной цветностью от 35 до 150 град, происходит при дозах озона от 2,0 до 4,5 мг/л
и времени контакта его с водой не менее 10-15 минут (рис. 14.20).
При озонировании подземных вод в среднем на каждый 1 мг удаляемого железа
или марганца расходуется около 1 мг озона. Эффективным использование озона для
извлечения из нее синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ),
нефтепродуктов, фенолов, пестицидов. Опыты разных исследователей показывают, что при наличии
в воде СПАВ (сульфонол, порошок «Новость») озонированием можно достичь их
удаление из воды на 10-40%. Слабое воздействие оказывает озон на удаление из воды
нефтепродуктов. Имеются сведения о возможности удаления из воды свинца, кадмия,
никеля. Сопостввление озонирования и хлорирования исходной воды по цветности и окис-
ляемости показало преимущество по эффекту очистки первого.
258

Эц.% а)
60
Эц.% в)
80
1
^^^^
До!=1.51.8мг/л С<»=5,5-6,7мг/л
t.=6 10Mim
100 UiKx. о 1 2 3
•'ПКШ 1ь^12.6мин. Т=2...3°С
2и=3.8мин. Ц=8-7ГПКШ
4 До,мг/л
Эц.% б)
80
70
60
50
40
30
20
10
/
\
л
> \
1
1
1^
J
/
/
,^
'Н
0
у
1Соз=5.0мг/л
2-С<»=5,7 мг/л
3Coj=6.7 мг/л
1 003=4,3 мг/л
2-Со!=5.7 мг/л
ЗСо!=7.62 мг/л
До.мг/л
Рис. 14.20. Технологические параметры обесцвечивания природных вод:
Э% - эффект обесвечивания; Ц - цветность в Р1-Со шкалы; Г - темперапура в С; /^ - вржмя
контакта озоно-воздушной смеси с исходной водой; Cq - концентрация озона в озоно-воздушной
смеси, мг1\Дд - доза озона, мг/л
При одновременном присутствии в воде таких компонентов как СПАВ, азота
аммонийного и нефтепродуктов, процесс озонирования проходит менее эффективно, так как
озон расходуется на окисление всех органических соединений.
Расход озона на окисление СПАВ увеличивается по мере повышения степени их
разложения. Для 80%-го распада, расход озона увеличивается до 1,5 мг на 1 мг СПАВ,
а 90%-ый распад достигается при расходе озона 2 мг на 1 мг окисленного вещества.
Обработка воды, содержащей СПАВ, озоном приводит к возникновению главным образом
жирных спиртов, кислот и гидрофильных полифункциональных соединений,
являющихся наиболее, вероятно, сульфо- и поликислотами. Чистый сульфонол окисляется
более глубоко до СОг.
Аммиачный азот под влиянием озона поддается окислению в небольшой степени.
Нитриты легко окисляются озоном до нитратов, а нитраты почти остаются без
изменения (изменяются незначительно).
Процесс озонирования воды, содержащей одновременно СПАВ, гумусовые
вещества природного происхождения, нефтепродукты, соли тяжелых металлов, фенолы и
пестициды, по разному сказывается на качестве очищенной воды. В этом случае
необходимая доза первичного озонирования возрастает до 6-8 мг/л (табл. 14.4).
259

Таблица 14.4
Эффективность обработки цветных холодных вод с первичным озонированием,
коагуляцией и осветлительно-сорбционным фильтрованием
№ п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
П.
12.
13.
14.
15.
Ингредиенты
Цветность
Мутность
рН
Окисляемость
Фенолы
Нефтепродукты
ПАВ
Медь
Цинк
Кадмий
Железо
Марганец
Алюминий ост.
Общее микробное число
Коли-индекс
Ед. изм
°ПКШ
мг/л
МгД/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
кл.
шт.
Концентрация
на входе
71,7-68,5
20-15
7,7-8,1
11,6-11,9
0,094
1,1-0,64
1,7
3,8-5,5
4,8-5,0
0,176
0,54-0,73
0,19
0,08-1,04
160-180
5000-10000
Концентрация
на выходе
7,7-12,8
0,5-0
7,0-8,0
8-9,6
0
0,2-0,06
0,3
0,75-0,15
2,88
0,10
0,15
0,03
0,04
5-10
3-4

Требования
САНПИ
И
<20
<1,5
<6,0-9,0
<5,0
<0,001
<0,1
<0,5
<2,0
<5,0
<0,003
<0,3
<0,5
<0,5
>100
>3
Технологические параметры процессов
1
И
III
Первичное
озонирование
Коагуляция и флокуля-
ция
Фильтрование
С„, =6,9-7,2 мг/л
До, =F.9-8,1 мг/л) 4,56-5,4 мг/л
/^ =8,3-30 мин
Дц =20-40 мг/л
/^я.^.^ =0,4-0,7 мг/л
/^^=1,5 мин
Ф 1ст. Ф И ст.
Уф =7,2- Им/ч ^^ф =3,6-5,0 м/ч
Фп =1,0-2,0 мм Дг =0,5-1,5 мг/л
Ду;-=45-125 мг/л
14.5. Комплексная обработка воды физико-химическими методами
Одним из высокоэффективных методов разрушения органических соединений
является воздействие излучением в ультрафиолетовой области спектра.
Анализ литературных данных показывает широкий диапазон органических
соединений, для разрушения которых в водной среде может быть применен метод
фотохимического окисления. В перечень веществ, которые разрушаются с включением в
технологию метода фотохимического окисления, кроме пестицидов различных классов могут
260

входить и такие трудно окисляемые вещества как гидразин, монометилгидразин,
несимметричный диметилгидразин и фиметилнитразалин. Эффективно проходит разрушение
под воздействием ультрафиолетового облучения гуминовых кислот.
Воздействие УФ-излучения на растворенные органические соединения проходит
по двум направлениям - энергетическому и окислительному. Как предполагается,
молекула органического вещества поглощает квант энергии, испускаемый УФ-источником и
переходит в возбужденное состояние. Последующие реакции осуществляются за счет
соударения возбужденной молекулы с другими или благодаря внутримолекулярным
превращениям. Окислительные процессы происходят за счет образования свободных
радикалов.
В ряде случаев фотохимические реакции происходят с высоким квантовым
выходом продуктов, что указывает на важность цепных реакций образования этих
продуктов.
В качестве такого примера может быть рассмотрена реакция, происходящая в
результате фотолиза видимым светом смеси хлора и водорода. Квантовый выход этой
реакции может достигать 106-107. Механизм взаимодействия объясняется следующей
схемой:
Clj+hv^lCl A4.15)
Cl + H^^HCl + H A4.16)
н+а^^на+а (нл?)
На каждый атом хлора, образующийся под действием света, приходится миллион
реакций такого типа. Цепная реакция происходит с большой скоростью и чрезвычайно
высоким квантовым выходом. Торможение цепной реакции может происходить при
прохождении реакций, которые удаляют активные частицы. Элементы цепных реакций
возможны и при прохождении фотоокислительных процессов в водных средах.
Возможности метода деструкции органических соединений ультрафиолетовым
излучением значительно расширяются при условии применения дополнительного
воздействия окислителей и катализаторов фотохимических процессов.
К наиболее часто применяемым окислителям, повышающим эффективность
воздействия ультрафиолета, можно отнести озон и пероксид водорода.
Совместное воздействие окислителей и ультрафиолетового излучения позволяет
окислять в водном растворе галогенированные и частично окисленные углеводородные
компоненты, цианистые комплексные соединения, хлоруглеводороды, СПАВ,
органические комплексообразователи, алкилфосфорные соединения.
При участии в процессе УФ-излучения и озона возможно полное окисление
продуктов биохимического разложения, например, уксусной кислоты. При совместном
воздействии уксусная кислота может быть окислена до СО2 и Н2О.
Механизм усиления эффективности разложения органических веществ при
совместном действии УФ-излучения и озона проходит за счет саморазложения озона и
образования гидроксильных радикалов, действующих как основные сильные окислительные
агенты. Дополнительно УФ-облучение ускоряет фоторазложение озона с образованием
перекиси водорода:
261

о,+н,о—^^о,+н,о.
г^г ,
A4.18)
а затем и радикалов ОН
н.о.
hv
^lOH
A4.19)
В отсутствии акцепторов этих радикалов начальный процесс их генерации
порождает различные цепные реакции с образованием в качестве промежуточных продуктов
атомов и ионов водорода и кислорода, перекиси, радикалов ОН.
В присутствии акцепторов типа HCOj НСОт, имеют место реакции:
ОН+нсо; -^ Hfi+со;
A4.20)
со; + Я2О2 -^ нсо; + но^
A4.21)
Если присутствует органическое соединение, то также протекает реакция
отщепления атома водорода радикалом ОН и происходит комплекс взаимодействий с участием
полупродуктов реакции в условии возбужденных молекул.
В зависимости от физико-химических свойств суспензий, наличия разных
органических загрязнителей в них и их концентраций, по разному проявляются и
окислительные мощности перечисленных выше окислителей. При озоно-ультрафиолетовой
обработке водных суспензий, содержащих летучие органические соединения, и протекании
процессов, описываемых реакциями:
0^/УФ + Hfi -^Н^0^+ О^
A4.22)
н,о.
10Н-
A4.23)
Скорость окисления радикалом ОН' на 3-10 порядков выше, чем О3 (табл. 14.5).
Таблица 14.5
Виды антропогенных
загрязнителей
Фенолы
Нефтепродукты
Кетоны
Ацетилены
Алколоиды
Ароматические углеводороды
Скорость реакции окисления, моль/л/с
0,
10^
10^ -10'
1
50
10-^-1,0
1-10^
он-
10"
10"-10'"
10*»-10'"
10' -10'°
10'-10'"
10'-10'"
При наличии в подземных природных водах микро концентраций пестицидов и
синтетических органических соединений (например, винилхлорида Vinyl Chloride, дих-
лорэтилена Dichlorethulena), непредельных углеводородов ряда С„Н2п и др., УФ озони-
262

рованием воды с дозой озона 2-6 мг/л в течение 10 минут удаляются весьма
эффективно все ароматические соединения и основные пестициды за исключением алкенов.
Перекись водорода является экологически чистым реагентом-окислителем, т.к. не
приводит к вторичному загрязнению воды продуктами своего восстановления. По
сравнению с другими «чистыми» окислителями (озон, кислород) перекись водорода имеет
ряд технологических преимуществ: высокую растворимость в воде, относительно
высокую стабильность, простоту аппаратурного оформления и технологического контроля.
В следствии своих преимуществ перекись водорода получила достаточно широкое
распространение в практике очистки природных и сточных вод.
В условиях химической или физической активации разложения перекиси водорода
наблюдается ее распад согласно уравнению реакции:
Н^О^ -> HjO + 0,502 + 22,44 ккап/моль. A4.24)
Особенно активными химическими активаторами (катализаторами) разложения
являются металлы переменной валентности (железо, марганец, медь, кобальт, хром) и их
соли. Соединения железа практически всегда присутствуют в обрабатываемой воде и
распад перекиси водорода в их присутствии изучен наиболее подробно.
Образующийся гидроксил - радикал имеет окислительный потенциал 2,80 В, что
объясняет высокую окислительную способность данной системы. Композиция «Н2О2 -
железо (II)», известная под названием « реагент Фентона», широко используется в
технологии очистки воды.
Быстрый распад перекиси водорода наблюдается под воздействием солнечного
света или УФ-облучения. При облучении водных растворов перекиси идут следующие
реакции:
н,о.
н,о,-
h
hv
"-^20Н ,
-^О.Н + О ,
A4.25)
A4.26)
Н2О2 +0^0Н+Н02 . A4.27)
ОН + ОН^ Н^О + о , A4.28)
ОН + H^Oj -^ Н^О + HOj , A4.29)
HO^H-fi^^O^+H-fi^OH и т.д. A4.30)
На скорость фотохимического распада влияют присутствующие в растворе
неорганические кислоты, основания и соли: как кислоты, так и щелочи ингибируют разложение.
Как следует из приведенных ранее уравнений, в данном процессе образуются
радикалы, обладающие высокой окислительной способностью. Радикалы НО и О являются
крайне реакционноспособными с большинством органических молекул, являющихся
донорами атома водорода. На такие виды органических соединений упомянутые ради-
263

калы воздействуют с образованием новых типов радикалов, которые могут
последовательно инициировать некоторые цепные радикальные реакции. Установлено, что ОН-
радикалы являются более эффективными, чем радикалы R0 и ROO (R - алкильная или
арильная группа), при вторичном образовании радикалов из органических соединений.
Следовательно, использование перекиси водорода в качестве источника свободных
радикалов является очень заманчивым.
Самоокисление, включающее гидроксильные и/или перекисные радикалы
являются наиболее эффективными внутри интервала рН=6-8, что является оптимальным для
целей водоподготовки. За пределами этого интервала рН для образования гидроксил-ра-
дикалов необходим источник, отличный от перекиси водорода.
Окисление органического вещества (RH), ОН-радикалами происходит согласно
следующим уравнениям реакций:
RH + HO^R + H,0 . A4.31)
R + O^^ROO, A4.32)
ROO + RH^ROOH + R , A4.33)
IROOH^RO + ROO + H^O , A4.34)
ROOH^RO + HO A4.35)
В конечном счете органическое вещество превращается в углекислый газ и воду.
Использовании перекиси водорода в качестве окислителя не приводит к
образованию продуктов более токсичных, чем исходные органические соединения. Поэтому
сочетание перекиси водорода и УФ-облучения широко применяется для окисления
различных примесей воды, в частности, соединений цветности.
Основы проектирования УФ-установок приведены в т. 16, а технология
приготовления растворов реагентов - в гл. 13.
14.6. Адсорбционная глубокая доочистка питьевых вод
Адсорбция применяется в тех случаях, когда необходимо удалить из очищаемой
воды находящиеся в растворенном виде примеси природного и антропогенного
происхождения, в том числе также для удаления из воды хлорорганических соединений и
продуктов озонолиза.
Наиболее распространенным в практике водоочистки неполярным гидрофобным
адсорбентом является активированный уголь, обеспечивающий благодаря своим
свойствам эффективную адсорбцию растворенных примесей.
В основе адсорбции лежит взаимодействие энергетически ненасыщенных атомов
углерода с молекулами адсорбируемых веществ.
Техническая характеристика и параметры пористой структуры основных типов
активированных углей и сорбентов, применяемых в практике водоочистки приведены в
таблице 14.6.
264

в технологии водоподготовки активированный уголь применяется в виде порошка
при углевании воды, дробленных или недроблённых гранул при фильтровании через
угольные фильтры. Для очистки воды от загрязнений применяется сухое дозирование
порошковых активированных углей, мокрое дозирование (в виде суспензии),
фильтрование через взвешенный слой активированного угля (рис. 14.21), фильтрование в
стационарных адсорберах с гранулированным активированным углем (рис. 14.22 и 14.24),
фильтрование через комбинированные песчаио-угольные фильтры (рис. 14.23).
Выбор марки адсорбционного материала заключается в подборе параметров его
пористой структуры в зависимости от размеров молекул адсорбируемых веществ.
Например, когда в воде присутствует одно вещество с низкой молекулярной массой,
(фенол, азот аммонийный, азот нитритный), то данные вещества, имеющие относительно
низкую молекулярную массу и размер молекул т=0,63 нм, лучше всего сорбируются в
микропорах ('с<0,63-0,7 нм) и супермикропорах@,6-0,7<т<1,5-1,6 нм). Для этого случая
пригодны активированные угли, имеющие требуемую структуру пор, типа АГ-3 и МАУ-
100; когда в воде находятся нефтепродукты, СПАВ, гуминовые кислоты(по
отдельности или смесь), то данные вещества, имеющие более крупные размеры молекул
(-с>1,8 нм), лучше всего сорбируются в мезопорах A,5-1,6<т< 100-200 нм). В этом
случае пригодны активированные ути и сорбенты, имеющие требуемую структуру пор,
например, мезопористый сорбент СГН-30; когда в воде присутствует смесь низко- и
высокомолекулярных соединений (нефтепродукты, СПАВ, фенол, азот аммонийный, азот
нитритный), то данные вещества, имеющие различные размеры молекул наиболее
полно будут сорбироваться на адсорбентах, имеющих хорошо развитую структуру микро-
пор и мезопор (таких как АГ-3, МАУ-100).
5
Рис. 14.22. Конструкция адсорбера со
взвешенным слоем адсорбента:
1 - противоток очищаемой воды и
адсорбента (вода движется снизу вверх, а
адсорбент сверху вниз);2 - сбор очищенной
воды; 3 - отвод очищенной воды; 4 - подача
исходной воды; 5 - подача адсорбента;
6 - отвод угольной пульпы; 7 - система
распределения очищаемой воды
Рнс. 14.23. Конструкция стационарного
адсорбера:
1 - слой активированного угля; 2 -
поддерживающий слой; 3 - трубопровод исходной воды;
4 - трубопровод для отвода фильтрата;5 -
корпус фильтра; 6 - дренажная система; 7 -
отражатель
265

я
i6
I
I
s
a.
о
X
Я
X
S
n
о
Q.
s
s
£2
i
s
a.
о
с
I-
о.
«
с
s
s
s
s
X
BJ
cC
О g "
s
ft о ^-
O e —■
VO 2 S
cC
S? § ■-
О g "
z
IS .
3 S-
S la "
S ^e
a. ^
с
о a
g.b
с =
§ |2
cos
я E -5
й g '-
a: g
я g
d
с S
b£
о.
a
2
0\
00
r~
о
v->
^
m
Г4
&
u
2
s
£
и
Ш
3"
,
oo
9'
m
o*
о
o"
1
so
СЧ
о
oo
■
t
о
V
<
s
,
oo
9'
m
o*
о
о
'i
(Ы
о"
1
■
t
о
V
Ui
S
,
m
О
СЧ
о'
»o
о
m
СЧ
о*
о"
■
1
о
V
!£
^ i
,
00
о
о"
о
о*
>о
о
1
сч
(S
о'
.н
00
о'
1
о
•
*
о
V
е
5
>
Vi
ч.

v^
rn
о
О
00
о
о"
«п
о
сч
сч
о"
о
00__
ЧО
—*
S
о
я
VO,
ГП^
о
<:
<
Vi
с\

о
сч
""
о
О
О
о"
о
сч
о
ri
о
о
v\
i
1
'
vO.
rn^
О
Ь£
$
VO
u->
=?
*r>
о
s
о"
s
о
ЧО
о
r*^
(Ч
О
00
oo
о
oo
о"
ЧО
'
1
чО^
(*{
1
О,
сч'
т
и
<
сч
V-1
о'
i
о"
о
о"
о
о
V~i
о
ел
сч
о
t~-
Оч
о
о
00
о"
оо
00
8
ЧО
о
*Г)
•»
о_
(Ч
1
"Ч.
сч'
1
v^
m
О
ГЛ
о
00
сч
о"
^
о'
S
о
сч
m
9
оо
сч
о
ос
^
о"
о
m
г»
О
о.
сч'
(Л
о'
>.
$
*п
m
о"
1
о
m
О
о
о*
i
о"
Оч
о
ЧО
сч
о*
о
t~-
о"
о
S
о
о_
u^
о
« 3
?5
^ о
IS
?
о'
1
00
m
о
^
о"
1
S
о"
о
о
00
сч
о
^
1-^
о'
1
о
г»
о"
'
о.
сч"
о
1
^
■ч-
9
00
m
о'
00
о
о'
i
о
^
о
сч
m
О
ЧО
00
о'
г»
сГ
о
'
о_
ri
о"
сч
±
<
ЧО
СП
о*
1
О
m
О
00
00
о
о'
1
<ч
г»
о
о'
>о
о
*п
•»
о'
8
00
о
1
00
1-^
оо
о
m
сч
m
сч
^
сч*
г^_^
*Г)
<ч
о
с;
t^
ЧГ)
О
ri
■Ч'
о*
о
о"
•4-
о
о'
«о
о
Оч
сч
о
00
Оч
О
сч
00
о
00
сч
00
S
<л
1
сч
•п
сч
сч"
г~^
ЧГ)
о
ЧГ)
<
и->
m
9'
Оч
сч
о'
00
00
о
о'
1
сч
г»
о
о'
и->
о
m
>»•
о'
>»•
Оч
О
m
00
о'
ЧГ)
00
5ч
сч
00
m
<N
сч_
сч"
оо^
оо
о
ЧГ)
о
00
о
с;
t^
m
9'
m
о'
Оч
g
сГ
00
о
о'
о'
1
m
г*^
о"
ОС
00
о'
сч
г»
о"
1
г~
сч
t~-
сч
сч
_
сч"
1
о
V
с;
>
о
Оч
S
о
о'
сч
о
о
г»
о"
00
о
■ч-
Оч
00
сч
о"
о
m
u
и
266

I
VO
•л
■*
fn
fN
-
«^
9
o"
OS
9
oo
9
о
"».
о
•
'
о
■^
(N
•
•л
u
m
9
•Л
o"
^
о
s
9
m
о
•
'
о
i
(N
•
О
(N
и
o>
ГЧ
9
3
S
9
S
o"
о
«^
о
•
'
■
■
<
С
<
e^
m
О
О
о"
?;
О
OO
о
о'
m
9
(N
m
О
•
VO
■
■л
о
<
<
О
"Г
о"
•л
о
о
S
о'
VO
9
■^
о
•
•л
г-^
■
о
6
о
о.
<
m
о"
о*
о
о
о
о*
оо
•^
9
•л
•^
о
■
■
<
,
,
■
■
'
и
,
,
о
■
■
'
U
,
,
•
■
'

о
V
О
о"
•л
9
(S
о
л;
•л
оо
о
•л
■
оо
о
8
>>
о
г-^
о'
^
9
•л
о
•л
fn
9
о
(N
о
л;
•л
оо
о
•л
■
г^
VO
о
8
<
S
•л
■^

•л
*л.
о
о
оо
о
о"
•л
(N
о
(S
«^
о
л;
•л
г-^
^
•
о
г^
6
(N
(-
1
г^
•л
9
г-^
о-
^
о
•л
о
•л
m
о
OS
(N
о
л;
оо
о
(S
•л
■
•л
•л
•л
с
S
(N
m
сГ
•л
о
?;
V
о*
*
9
г^
m
о"
л;
S
о
(N
■
о
оо
<
<
S
<N
S
о"
•о
3
о'
8
V
•л
•л
о'
о'
о
■^
•
«л
fN
О
ч
о.
ее
3
и
3
S
1
М
,
г^
о
(N
о'
■
'
•
'
•л
,
-^
'
S
о
■
'
■
'
и
СО
,
ОО
О
о'
,
•л
оо
о*
о
оо
•
•л
^_^
8
b.
,
ОО
9
о*
,
О
00
•
<г.
о
^^
1
,
оо
сэ
о'
,
•л
оо
о"
о
оо
•л
■^
'
ч
(N
•л
00
о
'о?
о
оо
н
•^
о
о"
оо
о
•
'
■
'
1-
Е <
267

Рис. 14.24. Сорбциоииый фильтр с
граиулироваииым активированным
углем:
I - корпус; 2 - перфорированный канал;
3 - сетка; 4 -внешний элемент нз
микропористой угольной ткани; 5 -
гранулированный активированный уголь;
6 - входной патрубок; 7 - выходной
патрубок
Рис. 14.25. Схема конструкции прямоточного
осветлительно-сорбционного фильтра:
1 - подача исходной воды; 2 - ввод коагулянта;
3 - смеситель; 4 - песчаный слой; 5 -
поддерживающие слои; 6 - слой адсорбента; 7 - подача
промывной воды; 8 - отвод очищенной воды;
9 - отвод промывной воды
Для сорбционной очистки воды при постоянном присутствии в воде опасных для
здоровья примесей чаще всего проектируют стационарные адсорберы с неподвижным
слоем адсорбента.
Общие рекомендации иа проектирование стационарных адсорберов представлены
в сводной таблице 14.7, позволяющей подобрать технологические параметры сорбцион-
ного слоя адсорбера в зависимости от вида и концентрации присутствующих в воде
антропогенных загрязнений.
В качестве загрузки сорбционного фильтра чаще всего применяют
гранулированный активированный уголь АГ-3.
Высоту угольной загрузки определяют по формуле:
^y.,.=Vp.^-T,,/60,M,
A4.36)
где Урф - расчетная скорость фильтрования, принимаемая равной 10-15 м/ч; Zy - время
прохождения воды через слой угля, принимаемое равным 10-15 мин в зависимости от
сорбционных свойств угля, концентрации и вида загрязнений воды и других факторов и
уточняемое технологическими изысканиями.
Высоту надфильтрового пространства определяют по формуле:
"■"■' 100
,м.
A4.37)
где ео„„ - относительное расширение загрузки, %, принимается равным 25-45%.
268

Таблица 14.7
Подбор технологических характеристик сорбционного слоя стационарного адсорбера в
зависимости от вида и концентрации присутствующих в воде антропогенных зафязнеиий
Виды

антропогенных
загрд^[|;иии
аммонийный
Фенолы

Нефтепродукты
СПАВ
Азот
аммонийный,
фенол

Нефтепродукты, СПАВ
Азот
аммонийный,
фенол,
нефтепродукты,
СПАВ
Размеры
их
молекул, нм
0,63
0,71
1.8
2,4
0,63-0,71
1,8-2,4
0,63-2,4
Предпочтение
типов пор
в углях
микропоры,
супермикропоры
микропоры,
супермикропоры
мезопоры
мезопоры
микропоры,
супермикропоры
мезопоры
микропоры,

супермикропоры, мезопоры

Рекомендуемый тип
сорбента
АГ-3, МАУ-100
АГ-3, МАУ-100
СГН-30
СГН-30
АГ-3, МАУ-100
СГН-30
АГ-3, МАУ-100
Крупность
гранул,
мм
0,5-1,5
0,5-1,0
0,5-1,5
0,5-1,0
0,5-1,5
0,5-1,0
0,5-1,5
0,5-1,0
0,5-1,5
0,5-1,0
0,5-1,5
0,5-1,0
0,5-1,5
0,5-1,0
Время
контакта,
мин
10-11
11-12
10-11
11-12
15-16
16-17
15-16
16-17
10-11
11-12
15-16
16-17
15-16
16-17
Расход воды на промывку определяют по формуле:
Япр=^п-РсФ -л/с,
A4.38)
где «п - интенсивность промывки, л/(см2); F(^^ - площадь стационарного адсорбера, м^.
Необходимый объем воды для промывки фильтра определяют по формуле:
W
1000
_ ^яр
,мЗ,
A4.39)
где t„ - продолжительность промывки, ч.
Диаметр коллектора НДС определяют по формуле:
D.^=.
n-v-t.
,м,
A4.40)
где V - скорость движения воды в коллекторе при промывке фильтра; принимается
равной 1,5-2,2 м/с;
Нижнюю дренажную систему (НДС) сорбционной секции фильтра проектируют
также как и для скорых фильтров.
Длительность работы адсорбционного фильтра до появления в профильтрованном
потоке адсорбируемого вещества с концентрацией С^ превышающей предельно допу-
269

стимую, Тпр и длина слоя адсорбента L связаны в классическом уравнении динамики
сорбции, предложенным для расчетов Шиловым Н.А.:
A4.41)
где Тпр - время до «проскока» - время защитного действия слоя адсорбента, мин; L -
высота слоя адсорбента, см; Тц и А- константы: х^ = Ь/\- характеризует пространство и
время, необходимые для формирования и проведения массообменного процесса;
к = A^(Cq-v) - коэффициент защитного действия, мин/см; v - скорость потока жидкости,
см/мин; Aq- предельная динамическая емкость адсорбента при данной исходной
концентрации Q; h - «мертвый» слой, математическая функция, харакгеризующая
неиспользованную длину слоя адсорбента, см.
Введение в уравнение A4.41) величины Xq связано с тем, что «защитное действие»,
т.е. работа адсорбционного фильтра до проскока адсорбированного вещества в фильтрат
возможна только при условии, что длина слоя адсорбента больше некоторого
минимального значения.
Для теоретического обоснования этого уравнения Н.А. Шиловым была
использована несколько упрощенная модель процесса, в которой предполагалось, что поток
фильтруется через все сечения адсорбционного фильтра с одинаковой и постоянной
скоростью, а слой адсорбента состоит из зерен одинакового размера и структуры,
упакованных с одной и той же плотностью во всем объеме.
Процесс адсорбции, проходящий в динамических условиях, состоит из периода
формирования фронта адсорбции, хараюгеризующегося переменной скоростью его
продвижения и периода его параллельного переноса при неизменной скорости.
Зависимость защитного действия слоя т^р от его длины L графически описывается кривой ОАВ
(рис. 14.26). Стадия, отвечающая формированию фронта адсорбции, отвечает кривой
ОА. Начиная от значений, выраженных участком OLg, защитное действие слоя фильтра
зависит от его длины (второй период динамического адсорбционного процесса).
Величины к, Zq, h и Lq определяются графически:
k = tgZBHL , Lo=OL,, Xo=OD и h^OH .
Регенерацию сорбционной загрузки фильтра производят 5%-ным раствором NaOH
или путем прокаливания угля при температуре 700-750°С в отсутствие воздуха.
Исследование элеюроимпульсного метода регенерации показало, что весьма
эффективным является воздействие на уголь после сорбции органических веществ
высоковольтного элеюрического разряда при напряжении 300-500 В и частоте импульсов 25-
30 Гц. Уголь при этом помещается в реактор с дистиллированной (водопроводной)
водой (рис. 14.27).
Как следует из таблицы 14.8, электроимпульсный метод позволяет не только
практически полностью регенерировать уголь, но также(при необходимости) существенно
увеличивать объем его сорбционного пространства.
270

L. an
Рис. 14.26. Зависимость времени защитного
действия от толщины слоя адсорбента
14.27. Схема реактора для регенерации
угля методом высоковольтного
электрического разряда:
1 - реактор; 2 - вода (раствор); 3 - уголь; 4
- газоотвод; 5 - токоподводы; 6 - медные
электроды
Таблица 14.1
Регенерация отработанного активированного угля АР-В электроимпульсным методом
Время, ч
Условия регенерации
Напряжение, В
Частота, Гц
Степень регенерации, %
Уголь после рекуперации этилацетата
1
1
2
2
2
3
3
300
800
250
300
300
300
600
10
10
10
25
50
10
10
77
91
95
100
100
100
100
Применение для глубокой очистки воды стационарных адсорберов целесообразно
на водоочистных станциях, где в обрабатываемой воде постоянно присутствуют
повышенные концентрации веществ антропогенного происхождения. В случае их
периодического появления в источнике водоснабжения целесообразно и более рационально
применение одноразового в течение фильтроцикла ввода сорбентов в обрабатываемую
воду в соответствии с видом и количеством присутствующих в воде примесей.
В настоящее время разработана конструкция освехштгельно-сорбционного фильтра
(ОСФ) (рис. 14.28) с комбинированной пенополистирольно-угальной загрузкой, которая
позволяет менять режим работы фильтра в зависимости от качества исходной воды.
Расчет ОСФ аналогичен расчету фильтра ФПЗ-1 с восходящим фильтрованием воды, но
имеет свои особенности расчета дозы и массы вводимого сорбционного материала.
271

т
Рис. 14.28. Осветлительио-сорбциоииый
фильтр с плавающей загрузкой:
1 - трубопровод подачи исходной воды; 2 - ос-
ветлительный слой плавающей загрузки;
3 - комбинированный осветлительно-сорбци-
онный слой; 4 - система для ввода сорбента;
5 - поддерживающий слой плавающей зафуз-
ки; 6 - удерживающая решетка; 7 - ввод
реагентов; 8 - отвод промывной воды
♦ —8
Доза сорбента, для каждого вещества, определяется по формуле:
С" -С*
Д. = ^ ^ , мг/л, A4.42)
а
где С/ - требуемая конечная концентрация вещества, мг/л; а - максимальное
количество адсорбированного вещества, мг/мг, определяемое по изоггермам адсорбции. На
основании аналитического обзора литературы по процессам адсорбции величины а можно
приближенно принять следующие: для веществ, обуславливающих цветность воды -
0,046 град/мг; для легкоокисляемой органики (перманганагной окисляемости) - 0,0086
mtOj/mv, для трудноокисляемой органики (ХПК) - 0,02 мЮг/мг; для азота
аммонийного (NH4*) - 0,00066 мг/мг, для СПАВ - 0,1 мг/мг; для нефтепродуктов - 0,2 мг/мг; для
фенолов - 0,002 мг/мг; для пестицидов - 0,04 мг/мг; для хлороформа - 0,16 мг/мп
Суммарную дозу сорбента определяют по формуле:
Д.-ЙД-^п] '"'■/"'
A4.43)
/=1
где к„ - коэффициент, учитывающий степень использования равновесной статической
адсорбционной емкости гранул сорбента, принимаемый равным 1,2-1,3.
Массу сорбента, вводимого в ОСФ, определяют по формуле:
^с = ДгЯ.'Граб , МГ,
A4.44)
где Д^; - суммарная доза сорбента, мг/л; Q^ - расход воды, л/ч; Тр^^ ~ продолжительность
фильтроцикла, ч.
Фильтрование осуществляется при восходящем потоке обрабатываемой воды.
Фильтроцикл прекращается, когда начинается «проскок» в фильтрат контролируемого
показателя качества воды (С^оУС„„=1). Средняя продолжительность фильтроцикла
обычно составляет 12-14 часов, после чего осуществляется промывка обратным током
272

чистой воды в течение 3-4 мин с интенсивностью 12-15 л/(см2). Плавающая загрузка
при промывке расширяется (до 40-50 %), зерна адсорбционного материала под
действием силы тяжести движутся вниз и через систему запорно-регулирующей арматуры
отводятся из корпуса фильтра в специальную емкость.
14,7. БиосоРБЦИоннАЯ ОЧИСТКА воды
Для повышения барьерной эффективности очистных сооружений и
предварительного удаления из воды специфических загрязнений, в НИИ ВОДГЕО разработан новый
биотехнологический метод очистки природных и сточных вод от загрязнений
природного и антропогенного характера - биосорбция. Принцип работы биосорбера
заключается в совмешении в пространстве и во времени процессов сорбции загрязнений с их
биологическим окислением.
Механизм этого процесса протекает через стадии: адсорбция загрязнений из воды
в микропористой структуре сорбента, биохимическая модификация адсорбированных
трудноокисляемых вешеств в биоразлагаемую форму экзоферментами,
иммобилизованными в этой же структуре, десорбцию биоразлагаемых модифицированных продуктов
на поверхность частиц сорбента, биологическое окисление биоразлагаемых продуктов
микроорганизмами биопленки на поверхности частиц сорбента. Этот процесс
обеспечивает постоянную биологическую регенерацию сорбента и исключает необходимость
его периодической термической регенерации или замены.
Результаты проведенных в НИИ ВОДГЕО исследований продемонстрировали
эффективность биосорберов по удалению из реальной воды природных загрязнений и
вешеств антропогенного характера, показана «барьерная роль» биосорберов в моменты
резкого увеличения концентрации основных загрязнений в паводковый период или при
различных аварийных ситуациях. Эксперименты, проведённые на речной воде в
реальных условиях, показали достаточно высокую эффекгивность биосорбционных
процессов при температуре исходной воды, и ниже +6 °С. Это дает возможность использовать
биосорберы в схемах водоподготовки в климатических условиях РФ.
Наиболее перспективно применять биосорберы на стадии предочистки при
дальнейшей обработке воды по традиционной схеме. Использование биосорберов на
начальной стадии очистки позволяет снизить уровень природных загрязнений и удалить такие
специфические загрязнения как нефтепродукты, СПАВ, хлорорганические и фосфорор-
ганические соединения. Одним из ограничивающих параметров применения
биосорберов для очистки природных вод является мутность обрабатываемой воды E0-100мг/л).
Конструктивно (рис. 14.29) биосорбер представляет собой вертикальную колонну,
снабженную водосборной и водораспределительными системами.
Водораспределительная система биосорбера соединена с аэрационной колонной. В зависимости от местных
условий биосорбер может работать как однопроходное сооружение или может быть
снабжен циркуляционным контуром с насосом.
Очищаемая вода поступает в аэрационную колонну 2, где происходит ее
насыщение кислородом воздуха, затем поток жидкости поступает в нижнюю
водораспределительную систему биосорбера 1, равномерно распределяется по площади сооружения и
поднимается вверх со скоростью, обеспечивающей псевдоожижение загрузочного
материала. Это создает оптимальные условия для интенсивного протекания процессов
развития иммобилизованных микроорганизмов и биологического окисления органических
273

загрязнений. Развитая поверхность гранулированного аюивированного угля
способствует увеличению биомассы микроорганизмов в сооружении, что, в свою очередь,
обеспечивает высокую производительность установки и стабильность работы. Время
обработки воды на биосорберах составляет 15-25 минут.
2
Исходная вола
Рис. 14.29. Прииципиальиаи схеме
биосорбера:
1 - биосорбер , 2 - аэрациоиная камера;
3 - отвод очищенной воды
Псевдоожижеиный
слой ГАУ
Пройдя сквозь взвешенный слой, поток жидкости достигает водосборного
устройства, собирается с поверхности сооружения и отводится (в зависимости от местных
условий) к циркуляционному насосу или на последующие стадии очистки.
Наиболее перспекгивным является применение биосор)беров большой высоты, что
позволяет отказаться от необходимости использования циркуляционных насосов. В
этом случае бносорберы, установленные в голове существующих сооружений водопод-
готовки, работают без рециркуляции.
Основу технологического расчета биосор)бера составляет опредех;енне требуемого
количества акгивированного угля (P^aw), т, на базе экспериментально определенной
удельной скорости окисления по заданным лимитирующим показателям (окисляемость,
азот аммонийный или другие лимитирующие компоненты) в зависимости от
требований, предъявляемых к качеству очищенной воды.
' угля
\K-Lj-Qir.\m
A4.45)
где Q - расход сточных вод, м^/час; г - удельная скорость окисления, определяется
экспериментально, мг/г угля в сутки; L^ - концентрация загрязнений (окисляемость, азота
аммонийного и др. специфических компонентов) в исходной воде, мг/л; Ь^„ -
концентрация загрязнений (окисляемость, азота аммонийного и других специфических
компонентов) в очищенной воде, мг/л.
С учетом этих данных определяются основные конструкгивные параметры
сооружения (объем, высота, площадь реактора).
274

Основным условием эффективного протекания биосорбционных процессов
является хороший массообмен, который обеспечивается созданием однородного, устойчивого
псевдоожиженного слоя загрузки. Качественной характеристикой псевдоожиженного
слоя является его степень расширения. Результаты исследований проведенных в НИИ
ВОДГЕО, показали, что оптимальная степень расширения составляет 40-45%. Зная
степень расширения и выбрав марку применяемого типа угля по графикам на рис. 14.30,
определяют скорость восходящего потока. Количество угля, скорость потока и его
степень расширения позволяют рассчитать высоту и диаметр биосорбционной колонны.
Конструкция аэрационной противоточной колонны рассчитывается исходя из потерь
напора в биосорбционной колонне и скорости противотока (нисходящее движение
воды), принимаемой 0,1м/с. Потери напора в биосорбционной колонне складываются из
потерь напора в слое угля (принимается согласно данным на рис. 14.30), а также общих
потерь напора в узлах сооружения.
60 70 80
Скорость,м/ч
Рис. 14J0. Зависимость степени расширения и удельных потерь напора от скорости
восходящего потока для различных углей
Применение биосорберов позволяет:
- получить гарантированное качество очистки как от традиционных загрязнений
(окисляемость, цветность и др.), так и специфических (нефтепродукты, хлорорганичес-
кие и фосфорорганические вещества, в том числе, железо, марганец);
- обезопасить очистные сооружения и потребителя в моменты залповых
поступлений различных видов токсичных и канцерогенных веществ;
- снизить нагрузку на сооружения водоподготовки в паводковый период;
- уменьшить расход реагентов, используемых на последующих стадиях обработки;
- снизить расход хлорсодержащего реагента, используемого на стадии
обеззараживания.
14.8. Бытовые устройства глубокой очистки водопроводной воды
При определении области применения бытовых водоочистных устройств (БВУ)
прежде всего следует ясно представлять, для какой исходной воды оно предназначено.
Характеристика исходной воды должна обязательно содержаться в технической
документации на изделие и в информации для потребителя.
Оценка эффективности водоочистного устройства, предназначенного для доочист-
ки питьевой воды производится при исходной воде, соответствующей гигиеническим
275

требованиям СанПиН 2,1.4.1074-01. Водоочистное устройство предназначено, в данном
случае, лишь для улучшения ее качества.
Обеззараживание воды, являющееся важным этапом в подготовке воды для систем
коммунального водоснабжения, связано с использованием соединений хлора,
способного реагировагь с другими компонентами, растворенными в воде. При этом при наличии
в водопроводной воде некоторых соединений возможно образование новых токсичных
загрязнений.
В БВУ чаще всего используется сорбционная (фильтрование через активированный
уголь) и мембранная (нанофильтрация и обратный осмос) технологии. Реже
применяются ионный обмен, озонирование и комбинированная водообработка ультразвуком и
ультрафиолетом.
Чаще всего доочистку воды на БВУ проводят от остаточного свободного хлора и
побочных продуктов хлорирования воды (например, хлорорганических соединений).
Эффекгивно очистить воду от этих соединений способны водоочистные устройства,
содержащие активированный уголь, имеющий высокоразвитую поверхность.
Активированный уголь применяют в водоочистных устройствах в виде гранул, дробленных
частиц, пористых блоков, волокон и волокнистых материалов (войлоков, тканей).
Эффективность сорбции загрязнений из воды зависит от скорости ее протекания
через сорбент, т.е. производительности водоочистного устройства. Активированный
уголь способен поглотить лишь определенное количество загрязнений из воды.
Поэтому для угольных фильтров важным требованием является установление оптимального
ресурса, выраженного объемом очищенной воды. Ресурс должен устанавливаться с
определенным «запасом». Как показывает пракгика и анализ зарубежных документов его
величина составляет 20%.
Эффективность очистки воды к концу ресурса водоочистного устройства может
несколько снижаться, но не до полного отказа.
Фильтры на основе активированного угля подвержены микробиологическому
обрастанию. Введение в акгивированный уголь серебра в качестве бактериостатического
агента решает проблему не полностью. Потребитель должен быть обязательно
предупрежден о необходимости промывки сорбционных водоочистных устройств перед
каждым применением, особенно после перерывов в работе.
Отработанный фильтрэлемент с активированным углем должен быть заменен на
новый.
Регенерация активированного угля в домашних условиях не должна
поддерживаться при сертификации БВУ.
Сравнивая адсорбционные методы очистки с мембранными, можно отметить
следующие их достоинства: хорошее извлечение органических примесей; доступность и
многообразие адсорбентов, отсутствие частичного сброса очищаемой воды
(реализуется принцип «один вход-один выход»).
Однако, цена тонны отечественного активированного угля превышает 40,0 тыс.руб-
лей (в ценах 2001 года). В бытовом же устройстве (индивидуальном) обычно
используется от 0,5 до 1,0 кг адсорбента.
К недостаткам адсорбционных методов относятся:
- уголь (активированный) и другие сорбенты являются питательной средой для
различного рода микроорганизмов, причем активность микроорганизмов возрастает в
процессе адсорбции органических и неорганических (в меньшей мере) примесей.
Практически всегда количество микроорганизмов и «коли-индекс» (бактерии группы кишеч-
276

ной палочки) в фильтрате больше, чем в исходной воде. Исключение составляют
«посеребренные» угли. Однако следует иметь в виду, что применение серебра неизбежно
приводит к тому, что в организм может попасть избыточное количество ионов серебра. Для
более или менее надежного удаления микроорганизмов установки снабжаются
бактерицидными лампами, что усложняет и удорожает эти приборы;
- адсорбционная емкость всех сорбентов величина конечная. Поэтому все эти
системы требуют регенерации сорбентов, процесса сложного и трудоемкого (несколько
стадий, различные реагенты или высокотемпературный пиролиз). Чаще патрон с
сорбентом просто заменяют новым, а отработанный выбрасывают;
- адсорбционный слой задерживает механический частицы размером более 50 мкм.
Механические примеси меньшего размера при этом не задерживаются; более того, в
процессе фильтрации уголь перетирается и сам генерирует механические примеси,
попадающие далее в организм.
Для доочистки питьевой воды также применяется ионообменный метод (с целью
снижения жесткости воды, содержания тяжелых металлов и др.), обратноосматический
метод (с целью полномасштабной доочистки воды) и фильтрация от нерастворенных
веществ.
Снижение жесткости воды приводит к улучшению вкуса питьевой воды, напитков,
приготовленных на ее основе, а также ведет к уменьшению образования накипи в
бытовых приборах.
Основными достоинствами и недостатками баромембранных методов очистки
(обратный осмос, нано-, ультра- и микрофильтрация) по сравнению с адсорбционными
являются следующие:
К достоинствам относятся:
- возможная полная деминерализация солоноватых вод и артезианской воды;
- практически полное отсутствие в фильтрате механических примесей;
- относительно низкая стоимость полимерных мембран;
- возможность использования тангенциальных методов фильтрации, что
обеспечивает высокую производительность при более длительном сроке эксплуатации
мембранной установки.
К недостаткам относятся:
- то что, часть обрабатываемой воды необходимо сбрасывать в виде концентрата
или технической воды;
- низкая степень извлечения органических примесей.
Сравнение основных баромембранных процессов, наиболее распространенных при
очистке воды - обратный осмос @0), нанофильтрация (НФ), ультрафильтрация (УФ) и
микрофильтрация (МФ) - показывает, что при увеличении селективности в ряду МФ-
УФ-НФ-00 существенно снижается удельная производительность и возрастают
удельные энергозатраты, достигая для процесса ОО величины порядка 1,0-1,5 кВтЧ/м^ пер-
меата.
Все четыре способа обеспечивают практически полное удаление микроорганизмов
и бактерий, а также соединений железа и механических примесей.
Степень очистки по NaCl в ряду МФ-УФ-НФ-00 увеличивается: МФ-0%; УФ-10-
20%; НФ-20-80%; 00-80-99,5%.
Области применения этих методов следующие:
- 00 мембраны обеспечивают очень высокую селективность по солям и всем
другим загрязнениям при относительно высоких энергозатратах. Их выгодно использовать
277

для опреснения сильно соленых вод (морская вода и пр.), при очистке водопроводной и
артезианских вод для потребления человеком необходимо регулировать степень
минерализации очищенной воды, что целесообразно только для крупных установок. Для
индивидуальных фильтров практически полное обессоливание нецелесообразно.
- НФ мембраны целесообразно использовать для слабосоленых и сильнозагрязнен-
ных вод в крупных системах водоподготовки (возможно, с последующей
минерализацией), для индивидуальных фильтров - в районах с солоноватыми водами.
- УФ мембраны целесообразно использовать для водоподготовки речной, озерной и
колодезной воды. Их можно применять как в установках в крупных центрах
водоподготовки, так н в индивидуальных фильтрах, особенно в районах с неблагоприятной
экологической обстановкой.
- МФ мембраны целесообразно использоваггь для очистки водопроводной и
артезианских вод с повышенным содержанием железа и других тяжелых металлов, а также
микробиологических загрязнений и механических примесей. Они обеспечивают
наивысшую производительность при относительно низкой стоимости и весьма высоких
степенях очистки. При этом содержание необходимых для организма человека солей
изменяется слабо.
Таким образом, для применения в индивидуальных и коллективных системах
очистки воды целесообразно использовать баромембранные процессы (в условиях России
это микро-, ультра-, и нанофильтрация) в режимах тангенциальной фильтрации. При
этом более целесообразно вместо полимерных использовать неорганические
(преимущественно керамические) мембраны.
МФ с использованием керамических мембран получает распространение в схемах
водоподготовки воды для потребления в быту, для пищевой фармацевтической,
микробиологической, химической и других отраслей промышленности, в которых к чистоте
воды предъявляются особые требования.
В таблице 14.9 приведены результаты испытаний, выполненных в ШЩ «Звезда» и
РХТУ им. Д.И. Менделеева, мембранных керамических фильтров с мембранами,
изготовленными на основе оксида алюминия с размерами пор 0,2-0,4 мкм селективного слоя
толщиной 30-40 мкм при общей пористости 50%.
Возможность задержки микроорганизмов керамическими МФ мембранами
исследовалась на примере водопроводной воды, специально осемененной
микроорганизмами. Результаты экспериментов показали значительное снижение общего числа
микроорганизмов (ОМЧ) в фильтрате по сравнению с исходной водой - с 602 до 5 ОЧМ/мл
воды (степень очистки ~ 99,2 %). Значительно (до санитарных норм) снизился также и ко-
ли-индекс (число бактерий Е-соИ в 1 литре воды - с 53 до 3).
Начальная производительность таких фильтров колеблется от 15 до 1500 л/ч.
Фактический срок их службы определяется динамикой прироста остаточных потерь напора
и снижением производительности и зависит во многом от эффективности регенерации
мембран, основанной на обратной промывке чистой воды и выжигании осадка.
При использовании метода очистки с помощью обратного осмоса происходит
практически полная деминерализация воды. Поэтому очищенную воду рационально
использовать для приготовления напитков и пищи и нежелательно ее использоваггь для питья.
Потребитель должен быть обязательно предупрежден об особенности этого метода
очистки воды. В выдаваемых сертификатах соответствия на обратноосматические
водоочистные устройства должна делаться специальная запись о значительном снижении
общей минерализации воды после очистки.
278

Таблица 14.9
Изменение концентрации основных зафязнений в фильтрате
в зависимости от времени; И'=1м/с (Re=4000)
Водопроводная водаЦО г. Москвы, АР =1 атм
Содержание, мг/л
1. Железо
трехвалентное
2. Аммонийный азот
3. Сулы{)а1ы
4. Хлориды
5.Общая жесткость,
ммоль/л
Время, ч
0
0,3
0,11
9,8
19,1
3,25
1
0,08
0,085
6,5
18,2
3,05
2
0,08
0,085
6,3
18,2
2,85
7
0,07
0,085
6,2
18,2
2,80
33
0,06
0,085
6,2
18,2
2,80
Водопроводная вода г. Дзержинский Московской области, ЛР =2 атм
Содержание, мг/л
1. Железо
трехвалентное
2. Железо общее
3.Аммонийный азот
4.Фториды
5.Общая жесткость,
ммоль/л
Время, ч
0
0,7
2,40
1,70
1,05
6,1
0,5 1 3 1 7 1 33
Не обнаружено
0,69
1,36
0,95
5,2
0,24
1,16
0,86
5,2
0,2
1,12
0,8
5,2
0,18
0,7
0,4
5,2
Фильтрация воды через инертные загрузки от нерастворенных веществ применяют
как отдельно, так и в качестве предварительного этапа при указанных выше методах до-
очистки воды.
Размер частиц, от которых очищают воду такие водоочистные устройства,
колеблется от сотен микрон до десятых долей микрона. Необходимость установки таких
фильтров связана с неудовлетворительным состоянием водопроводных систем и, как
следствие, наличием в воде, подаваемой потребителю, частиц ржавчины, песка и др.
установка фильтров в качестве предварительной стадии к другим методам доочистки
воды, значительно увеличивает ресурс водоочистных устройств.
Оценку эффективности водоочистного устройства при сертификационных
испытаниях проводят на модельных растворах с концентрацией загрязнителей не более одного
ПДК. Исследования, проводимые с использованием воды централизованных систем
питьевого водоснабжения, в большинстве случаев малоинформативны, т.е. концентрации
многих загрязнителей в ней значительно ниже ПДК и часто сопоставимы с
погрешностью метода измерения. Однако, при большом заявленном ресурсе водоочистного
устройства целесообразно проводить испытания на водопроводной питьевой воде,
«нагружая» водоочистное устройство модельными растворами только в контрольных точках.
Испытание на микробиологическое обрастание материалов водоочистного
устройства при сертификации, следует проводить с целью обнаружения вторичного
микробиологического загрязнения воды.
В таблице 14.10 приведен перечень водоочистных устройств, сертифицированных
в 2000-2001 гг. ДНО «Стандартсервис» с указанием изготовителей, применяемых
методов очистки и удаляемых из воды загрязнений.
279

cd
Я
S
ё
из
5
s
X
u
X
u
s
a.
с
2^ с
1^
X
и
Ю
о
«
2
X 5
X S
S 8
3
e
m
X
л IS-
S I
m
a
« о
u u
3 о
* 5
X о
I
e
о
00 я
о а
е
и
IS
2
§ I
к о
я о
я
&
ч
S
е
V
U
ь
Z
I
II
i!
о
о
< <
S
и
IS
2
X 2
§ I
I °
е-
е
8
.--'
а
ж
S
><
а
й
S
а
а.
S
а.
S
у
^r
3
Ч
CQ
U
й
1
280

m
8.«
m
8
§ I
CD S
e
e
s
я
Ю
a.
о
u
§
e
e
s
о
e
00
Э
m
2
£2
e
e
s
a
о
Ч
и
э
се
m
"= и
<
3
и
ел
2
1^
=02
i3
•с -г
D (Л
" Е
•д 00
3 b
2 «
1
^
-§
и
О
У
281

I
I
I
*n
Ш
^ i
§-,
- о
li
a s
s g
OS я
о CQ
s g
u Z
3 О
il 2
о
Ю
z
о
D.
и
z
o. z
m
Ю
s
CD
I
e
s
IS
о
Z
>s
3
S
m
a.
in
О
s
я
се
Л
•е-
w
о
s
с;
a
н
s
Q.
s
IS
e
e
s
о
e
^
111
>s IS u
" i Э
s ^
if
§■
Z
>s
s
я
a
s-
Z
V
Z
I
e
Ш
О
Ш
<
о
a
D.
U
E
S
Z
iff
s
s
•e-
s
E
CD
D.
e
о
2 I
- a
©'^ I
о и
О u
о
а ю
•е- п S
S о ю
'is
о «
Си
Си ,•
s
и.
о
m
SCQ
Su
'' s
^ a
о Й
о Си
282

i
I
X
>s
e
8,
о
ш
11
я
u
Z
ю
о
IS
* S
§ §
S 8
e
^ a.
11
s
Ю
§■
" - fe
я a я
S Of
z
< S2
и
00
00
s
о
Ш
z
s
a
о
О
•5 §.
*:«
о
283

f
i
-8
о
^>.
a «
о g.
s
IS
s
. a
Ю
a 5
s
2
s
H
a.
Ю
О
>s о
e
>s
и
)S }s V
2 о Э
g S 9
Ю g о
я о
S
IS
и
5«
5 ч
ю t
о 5
2
S
с
а
К.
S
е
« О О
«9 9
goo
t^ е е
m о.
00
О
S
а.
и
о
и
2
S
ч
<
О
О
О
li
V
л, U
о "
О g
О о~
й
<
3
о
:f8
^i е-
ш
284

I
I
-8
о
о
}
о
о
of о
е
s э
Э -е-
е
JS
U
>,
а
«
я
8-
и
<
э
<
!* й
о ^
О U
С
а:
<
с:
о
С
<
э
а
<
— г ж
m о
00 '
S
я
о
2>-
'^
5
285

15. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ, УСТАНОВОК
И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
15.1. Дегазация воды
Дегазация - процесс удаления из воды растворенных в ней газов (диоксид
углерода, кислород, сероводород, реже метан), обуславливаюицсх или усиливающих
коррозионные свойства воды, а в некоторых случаях придающих ей неприятный запах.
Выбор метода дегазации определяется в основном видом и содержанием
удаляемого газа в исходной воде.
В практике водоподготовки известны следующие методы дегазации, в основу
классификации которых положен принцип воздействия на обрабатываемую воду:
физический (изменение температуры воды или парциального давления удаляемого газа);
химический (связывание растворенных в воде газов путем добавления реагентов);
биохимический (использование окислительной способности микроорганизмов); сорбционно-об-
менный (извлечение растворенных газов путем фильтрования через сорбционно-обмен-
ные материалы).
При H-Na-катионитовом умягчении, ионитовом обессоливании и обезжелезивании
воды возникает необходимость удаления свободной углекислоты с целью наиболее
полного и эффективного протекания процесса очистки. Кроме того, углекислота относится
к числу коррозионноактивных газов по отношению к бетону и металлу и оказывает
непосредственное влияние на показатель стабильности воды.
Для удаления из воды углекислого газа применяют дегазаторы (пленочные, с
принудительной или естественной вентиляцией, барботажные, пенные и вакуумные).
Широкое распространение получили пленочные дегазаторы (рис. 15.1 а) с насадкой
из юлец Рашига и хордовой деревянной (^150 м^/ч и СО2<150 мг/л).
а) 5 4 б)
•3
Рис. 15.1. Пленочный (а), вакуумный (б) н пенный (в) дегазаторы:
I - вентилятор; 2 - насадка из керамических колец Рашига; 3 -
газоотводной патрубок; 4 - удаление воздуха; 5, 10 - подача исходной и
отвод дегазированной воды; 6 - водораспределительная воронка;
— 7 - оросительные патрубки; 8 - дырчатое днище; 9 - поддон;
II - люк; 12 - патрубки для водомерного стекла; 13
14 - пенный слой
ввод воздуха;

Расчёт пленочных дегазаторов приведён в п. 15.4. Дегазаторы барботажного типа
имеют ограниченную область применения, обусловленную большими
эксплуатационными затратами. Использование пенньк дегазаторов (рис.15 в) для удаления
углекислоты признано экономичным при производительности < 100 м^ч. При принятой
интенсивности подачи воздуха, производительности и реюмендуемым юнструкгивным
параметрам, приведённым в таблице 15.1, в ходе расчёта пленочных дегазаторов
определяют общую площадь перегородок, габариты сооружений и подбирают марку (тип)
вентилятора.
Таблица 15.1
Параметры для расчета плёночного дегазатора
№п/л
1
2
3
4
5
6
Технологическне н
конструктивные параметры
Интенсивность подачи
воздуха, м'/м^
Диаметр отведённой перего-
родкн,мм
Скважность перегородки, %
Количество перегородок, шт.
Расстояние между
перегородками, мм
Эффект удаления СО,
Значения
>0,35
<6
5-15
4-5
150-200
96-97
Применение вакуумных дегазаторов (см. рис. 15.1 б) является целесообразным при
необходимости одновременного удаления углекислого газа и кислорода. Расчет
вакуумного дегазатора рассмотрен в разделе 15.3.
Устранение агрессивной углекислоты в процессе стабилизационной обработки
воды при отрицаггельном индексе стабильности может быть достигнуто реагентным
методом с применением едюго натрия (NaOH), соды (ЫагСОз), извести (СаО), мела или
мраморной крошки (СаСОз). При этом связывание углекислого газа происходит по
следующим химическим реакциям:
NaOH + CO,-^NaHCO,
Na^COj + СО^ + Н^О -^ INaHCO,
СаО + 1С0^ +Н^0-^ Са(НСО,)
3^2
СаСОз + СОз + Н^О -^ CaiHCOj)^
Необходимые дозы щелочных реагентов определяют по формулам, приведенным в
разделе 15.2.
Количество мела, подаваемого в обрабатываемую воду, рассчитывают в
зависимости от исходного содержания углекислого газа.
Проектирование элементов реагентного хозяйства (растворные и расходные баки,
гасильные аппараты, сатураторы, баки-мешалки, дозирующие устройства и т.д.)
осуществляется по общепринятой методике (см. главу 13).
287

Содержание в воде избыточного количества кислорода обуславливает ее юррози-
онность относительно трубопроводов и арматуры, выполненных из металла, и делает
воду не пригодной для использования в системах горячего водоснабжения,
технологических процессах ТЭС, АЭС и отдельных производствах химичесюй промышленности.
В настоящее время нашел применение метод вакуумного обескислороживания
воды, реализуемый на специальных аппаратах - вакуумных дегазаторах, заполненных
юльцами Рашига.
По аналогии с методикой расчета пленочных дегазаторов, плошадь поперечного
сечения вакуумного дегазатора определяется по расчетному расходу воды и плотности
орошения насадки. Площадь поверхности насадки определяется по формуле A5.104),
при заданной начальной и требуемой юнечной юнцентрации О2 в воде. При этом
значения AQp и К^ в случае удаления из воды кислорода следует определять по графикам,
представленным на рис. 15.2 и 15.3 соответственно. По площади поверхности насадки
и ее удельной поверхности находят объем и высоту слоя насадки.
1Г)
t!
11'°'
1 J 2 i /^
' -/а /^/
7 Zv /^4
' 1 ^ ^ jL
Jl^vJ ^^-,^
-Ж "itZ JZJ'
iZ^tTl^Z^^
^ 2l IZy
V /:/: v^2
J Л Л^
2Л г\.^
AY^^^
с
о .,
ее
а
I
0.001 0,002
Д (^ в кг/м'
0,003
O.OO-l
Рис. 15.2. Зависимость АС„ от начальной н
конечной концеитрацнн кислорода в воде
Производительность устройства, мЗ/ч,
создающего вакуум в дегазаторе,
рассчитывают по формуле:
^'- :: -1 /
: - J .
_: ^J
л
_. ^
7
2
т
7
J
^ „ _ _
ZZ Л
Л _ -1- .:
]() у_
^ - ~ ■
0 — -
^G,„B73 + /)
A5.1)
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0,8 0,9 1,1
Кж,м/ч
Рис. 15.3. График К^ =f{t) при плотности
орошения насадки 50 м^/м^ч и кольцах
Рашига 25x25x3 мм
где V^ - объем паро-газовой смеси, отсасываемой из дегазатора, м^/ч; G^^ - юличест-
во кислорода, отсасываемого из дегазатора (с учетом О^, подсасываемого из атмосферы
через неплотности вакуумной системы), кг/ч, определяемое по эмпиричесюй формуле:
G...=U12-G
A5.2)
где G^g - юличество кислорода, удаляемого из воды, кг/ч; / - температура воды (с
подогревом), °С; А - коэффициент, принимаемый при удалении кислорода - 377, при
удалении углекислоты - 520; р^ - парциальное равновесное давление кислорода при
данной температуре обрабатываемой воды, атм:
288

Рк =
н
A5.3)
где С,^ - концентрация кислорода в воде на выходе из дегазатора, г/м^; Я -
растворимость Ог в воде, г/м^атм, при данной температуре и при парциальном давлении
кислорода, равном 1 атм, принимаемая по таблице 15.2.
Таблица 15.2
Температура
воды, °С
Растворимость
С/2 в воде,
г/м^-атм
0
69,5
5
60,7
10
53,7
15
48,0
20
43,4
25
39,3
30
35,9
35
33,2
40
30,8
45
28,6
50
26,6
Для приведения объема паро-газовой смеси, рассчитанного по формуле A5.1), к
условиям, принятым в каталогах вакуум-насосов, пользуются формулой:
Г„=-
VP
1 + 0,00366/ '
A5.4)
где Vq - объем паро-газовой смеси при / = О °С и ро - 1 з^м, м^/ч; Р - давление паро-га-
зовой смеси в дегазаггоре, атм, при температуре / (см. рис. 15.4).
01 ^ -■ ' ''
А^ л""
40 ^ ?
^ '
^ '
:: :: ::::;i-.::::::::::i:""::_:i
~ii: :;:j.i:_:i::i::i:i:i:ii_::i_:i
:: ::!^:::::::::::::::::::::::::
^^:
1^ :_z_:__ :_ _:._:;._::._.: :_ _
^^ .1- -- - - --
_А .__ ._
t _:_ ._
_^__
г. г.. :_ .:_ _ __: __
Рис. 15.4. График для определения
давлении, соответствующего
точке кипения воды при данной ее
температуре
0,02 0,04 0.06 0,08 0.10 0,12 0,14
Удаление из воды растворенного кислорода возможно путем добавления в нее
реагентов-окислителей, в качестве которых используются сульфит ЫагЗОз и тиосульфит
натрия, сернистый газ (SO2), гидразин в виде гидразин-гидрата(N2H4H2O) или
гидразин-сульфата (N2H4H2SO4) или фильтрования через слой стальной обезжиренной
стружки. Процесс обескислороживания может быть описан реакциями:
{
\Ш^50^
50^ +
IH^SO^
+ О2
Н^О
+ 0^
-> INa^SO^
-> H^SO^
-> IH^SO,
N,H, ■ Н,0 + 0,-^N,+ ЗЯ,0
'2->^4
AFe + SO^-^lFe^O^
10 - 9858
289

Дозу реагента, мг/л, рекомендуется рассчитывать по формуле:
Д,=иР[0,], A5.5)
где Э - теоретический расход реагента, мг, для образования 1 мг растворенного
кислорода G,9 и 16 - для безводного и кристаллического сульфита натрия, 4 - для сернистого
газа); [О2] - содержание растворенного кислорода в исходной воде, мг/л.
Дозу гидразина, мг/кг, рекомендуется определять с учетом его возможного
взаимодействия с присутствующими в воде оксидами железа и меди:
Д,=ЗС,+0,ЗС2+0,15Сз, A5.6)
где С|, Сг, Cj - концентрации в обрабатываемой воде растворенного кислорода,
соединений железа и меди соответственно.
При реагентной обработке воды следует учитывать, что повышение ее
температуры и использование катализаторов (соли меди, кобальта и т.д.) способствует
увеличению скорости окислительных реакций и эффективности процесса обескислороживания
в целом.
Для приготовления и дозирования растворов реагентов заданной концентрации
применяют растворные и расходные баки, баки-мешалки, насосы-дозаторы и т.д.,
расчет которых производится по аналогии с расчетом сооружений для реагентной
обработки поверхностных вод.
При расчете фильтров со стальной стружкой скорость фильтрования принимают
равной 25-100 м/ч; продолжительность контакта стружек с водой составляет от 25 мин
в зависимости от температуры, а их расход - 5 кг на 1 кг удаляемого кислорода.
Обескислороживание воды, наряду с другими перечисленными методами
обработки может осуществляться путем фильтрования через элеетронно-обменные (ЭО) и
электронно-ионообменные (ЭИ) смолы.
Восстановительная способность применяемых в водоподготовке смол составляет, для
ЭО-6-450 г/эквмЗ; ЭО-7- 600-800 г/экв-м^; Эа8-5000г/экв-м^; ЭИ-12 - 500 г/экв-м^ (по
кальцию) и 45 кЮг/м^ (по кислороду).
При расчете фильтров высоту слоя ЭО смолы принимают равной 2 м, скорость
фильтрования - 20 м/ч. Регенерацию смол ЭО и ЭИ-12 осуществляют 1-2%-ным
раствором сульфита или тиосульфита натрия.
Удаление сероводорода.
Наличие растворенного сероводорода (H2S) придает воде неприятный запах и
обуславливает ее агрессивность при контакте с металлом, бетоном и резиной.
К физическим методам очистки воды от сероводорода относится метод аэрации,
реализуемый на пленочном дегазаторе с принудительной подачей воздуха. Аэрациоииый
метод следует применять при содержании H2S в исходной воде до 3 мг/л.
Полного удаления свободного сероводорода, в силу зависимости существования
различных форм сульфидных соединений от величины рН, можно достичь в случае
предварительного подкисления обрабатываемой воды серной или соляной кислотой или
в цикле H-Na-катионитового умягчения, где удаление H2S объединяется с удалением
свободной углекислоты.
290

Дозу кислоты, мг/л, для снижения рН определяют по формуле:
д.=
\00е,Щ
A5.7)
гае Щ~ щелочность исходной воды, мг-экв/л; е^ - эквиваленгаая масса кислоты; С-
концентрация кислоты в техническом продукте, %.
После обработки воду необходимо стабилизировать щелочью.
Площадь поперечного сечеиия дегазатора рассчитывают по площади орошения
насадки из колец Рашига размерами 25x25x3 мм, равной 60 м'/м'-ч.
Площадь поверхности насадки определяют по формуле A5.104). При этом
величину движущей силы процесса диссоциахши AQp находят по графику,
представленному на рис. 15.5, а величину сопротивления процессу диффузии в пленке жидкости
К^ м/ч, по формуле:
К^=760
1
50,7 +
109,9
н
A5.8)
где/- площадь поперечного сечения дегазатора, м^; Я- растворимость H2S в воде,
кг/м'-атм, при данной температуре и парциальном давлении сероводорода 1 атм (см.
рис. 15.6).
Рис 15.5. Значение АС^^ в завнснмостн
от начального содержания H2S в воде
при конечном содержаннн его 0,1 мг/л
S — ~ "" "":
ш
ел ~
X
и
X
* £
1 : :: Z"".
? - -- и'^ -
V _ W ''
§ _,-г'^
5 ,^
а ^
Z _ _.
- I,'''
.::: ;:,z.
0,001
0,002 0,003
Д Сер в кг/м*
0,004 0,005
I
•" ::
А-
zi
20 г
-3
__L __
-3^
IS - 5
•^ -I ^^
_;_ S Z
^_
_: _^ч- I
^
10 -^
_ S
-1 _ !» _
-I %
,5 --_ - \
Рнс. 15.6. Растворимость H2S в воде в зависимости
от температуры при его парциальном
давлении 1 атм
.3456
Растворимость НгЗ. мгУм'
10*
291

Необходимый расход воздуха, м^/ч, для подбора вентилятора определяют исходя из
производительности дегазатора и удельного расхода воздуха - 12 м^/м^ воды.
Сущность химических методов удаления сероводорода состоит в обработке воды
различными окислителями и, в зависимости от вида и количества последних,
сероводородные соединения могут быть окислены до свободной серы, тиосульфатов, сульфидов
и сульфатов. Химические методы очистки сероводородных вод следует применять при
содержании H2S в исходной воде до 10 мг/л.
В таблице 15.3 приведены расходы реагентов-окислителей из расчета удаления 1 мг
сероводорода и реакции, описывающие химизм процесса окисления. При реагентной
обработке воды необходимо учитывать, что для большинства окислителей увеличение
рН среды приводит к снижению их окислительной способности по отношению к
сероводороду.
Таблица 15.3
Удельный расход реагентов окислителей
Реагент-
окислитель
Озон @J
Перекись
водорода
Перманганат
калия
(КМпО,)
Хлор {С12)
Кислород
@2)
Двуокись
марганца
Железо
Окислительно-восстановительные реакции
H2S + Oj=S + H20 + 02
3H2S + O, =3S + 3H20
3H2S + 40,=3H2SO,
H2S-\-H202=S + 2H20
H2S + ЗН2О2 = Яг^О^ -1- 2H2O + Яг
3H2S + 4КМпО, = 2K2SO, +S + МпО +
+ ЗМПО2+Н2О
H2S + С/г = 2НС1 + S
H2S + ACI2 + 4Я2О = H2SO, + SHCI
2H2S + 02=2S + 2H20
3H2S + 2МПО2 + 4О2 = MnSO, + MnS20, +
+ ЗН2О
H^S + МпО^ -1- Яг^О, = MnSO, +8 + 2Н2О
H2S + Fe = FeS + H^
H2S + Fe + 0 = FeS + H20
Расход
реагента-
окислителя,
мг на 1 мг
ЕЯг^
0,47-1,87
1,0-3,0
1,85-3,1
1,85-8,4
0,47
2,55-10,23
1,64
292

Существуют сорбционные методы очистки воды от растворенного сероводорода. В
качестве эффективных сорбционных материалов по отношению к сероводороду могут
быть рекомендованы АУ, АР-3, анионит АН-31, аминолигнин, черный (омарганцован-
ный) песок и др. Кроме того, установлено, что совместное применение окислительных
и сорбционных методов позволяет существенно сократить расход сорбентов и
реагентов-окислителей и повысить надежность и эффективность очистки воды.
Биохимический метод извлечения сероводорода из подземных вод основан на
использовании окислительной способности серобактерий. Процесс окисления в аэробных
условиях осуществляется в два этапа:
2H^S-^0^^2H^O-^2Si+519,1 Дж
18 + Ю^+1Н^О = 1Н^80,+\1ЪА,2, Дж
Существует несколько групп серобактерий (табл. 15.4), отличающихся по
физиологическим и морфологическим признакам и участвующих в окислении сероводорода.
Удаление из воды сероводорода биохимическими методами может осуществляться
на сооружениях типа аэроокислитель, реакгор биохимического окисления и др.
Исходные данные для их расчета приведены в таблице 15.5.
Таблица 15.4
Оптимальные значения рН при окислении H2S серобактериями
Группы бактерий
Тионовые:
хемолитоавтотрофы (а., ан.)
хемолитогетеротрофы (а.)
Бесцветные:
хемоорганогетеротрофы (ма.)
Фотоснитезнрующие:
фетолитоавтотрофы (ан.)
фотоорганогетеротрофы (ан.)
Окисляемые соединения
H^s,s^ol-,sol- ,s\
политнонаты
H,s,s,ol-,s\
политнонаты
H^S, S°
H^S, S^O]-, S"
H,S,S,Ol\S'
Оптимальные
значения рН
0,6-1,0
0,6-1,0
5,5-10
4,5-10
4,5-10
Примечание: а. - аэробы; ан. - анаэробы; ма. - микроаэрофилы
Удаление метана
Специфические свойства метана, в частности его взрывоопасность, и вследствие
этого невозможность использования метаносодержащих природных вод для питьевых и
производственных целей требует его удаления.
Существуют физические и биохимические методы очистки воды от метана.
Широкое распространение получил метод вакуумной дегазации с принудительным
насыщением обрабатываемой воды воздухом или диоксидом углерода.
293

Таблица 15.5
Технологические параметры аэроокислителя и биореактора
Показатель
1
Обрабатываемая вода:
содержание /7 jO , мг/л
температура, °С
РН
Время пребывания воды в сооружении, ч
г> 3 3 - /~Ч1СХ.
Расход воды, м нам очищаемой воды при (-^//5'
20
40-55
Интенсивность орошения зафузки, м'/м^ч, при подаче
воздуха:
принудительной при С^^ ^ =20D0) мг/л
естественной при C^^ ^ =20-25 мг/л
Загрузка:
тип
размер фракций, мм
высота слоя, м
высота слоя воды над загрузкой, м
высота расположения распределительной системы над
загрузкой, мм
Направление движения воды и воздуха

Аэроокислитель
2
20-40
15
26-30
8C-4)
4
шлак
(гравий)
50-70 B0-50)
2,6
30-50
противоточ-
ное
Биореак-
тор
3
до 20
9-20
7-9
0,5-1,0
2-5
фавий
20-50
1,0
1,0
противо-
точное
Технологические схемы удаления метана из подземных вод методом вакуумной
дегазации представлены на рис. 15.7.
Рнс 15.7.
Технологическая схема удаления
метана нз подземных вод
вакуумным способом с
предварительным насыщением
исходной воды инертным
газом (а) или воздухом (б):
1 - подача исходной воды из скважины;
2 - вакуумный дегазатор; 3 - эжектор;
4 - промежуточная емкость с
высокоминерализованной водой; 5 - циркуляционный
насос; 6 - бак для раствора извести; 7 -
электропечь; 8 - иасос для перекачки пульпы Са-
СОЗ; 9 - газгольдер для метана; 10 - фильтр;
11 - РЧВ; 12 - НС-П; 13 - отвод воды
потребителю 14 - отвод дегазированной воды
Воздух
1 .А
Г,
■гаи
ш
■}
п
5 ^57
м«а
294

Выбор той или иной технологической схемы следует произвоюить с учетом данных,
полученных в результате технологических изысканий, либо при их отсутствии по
табл. 15.6.
Таблица 15.6
Область применения технологических схем удаления метана
Показатель
Производительность установки, тыс.
м /сут
Содержание метана в исходной воде,
мг/л
Смесь, используемая для нвсыщения
обрабатываемой воды
Загрузка дегазатора:
тип
размер, мм
высота слоя, м
Рабочая жидкость дегазатора
Вакуум, МПа
Технологическая
схема, рис. 15.7а
до 10
до 40
воздух
( вода _ 1]
^воздух 1^
Технологическая
схема, рис. 15.76
более 10
более 40
25-30 % смесь воздуха
с диоксидом углерода
отрезки винипластовых труб
8x8x1A5x15x2)
2,0B,5)
хлористый натрий
0,05
гидроксид кальция
0,05
Примечание: Концентрацию хлористого натрия определяют в зависимости от температуры
обрабатываемой воды и растворимости в нем метана.
15.2. Стабилизационная обработка воды
В процессе эксплуатации чугунных (стальных) водопроводных труб в некоторых
случаях наблюдается образование на их стенках отложений, характер которых зависит
от состава транспортируемой воды или коррозии внутренней поверхности труб,
обусловленной коррозионными свойствами воды.
Вследствие этого происходит снижение пропускной способности водоводов,
прочностных характеристик материала труб, утечки и ухудшение качества питьевой воды,
подаваемой потребителю.
Для предотвращения негативных процессов, влияюпщх на работу системы
водоснабжения в целом, требуется спецобработка воды, выбор методов которой обусловлен
такими показателями качества воды как агрессивность и коррозиоиность воды.
Понятие «коррозиоиность» относится к коррозионным свойствам воды,
характеризующим отношение к металлу трубопроводов.
Различают абсолютную и относительную коррозиоиность воды.
Абсолютная коррозиоиность (коррозионная активность) обусловлена химическим
составом и температурой воды, а относительная - зависит от условий нахождения
металла в системе водоснабжения и режима ее работы (v, Р, неравномерность потребления).
При анализе химического состава коррозионной среды (воды) необходимо
учитывать, что ионы железа, хлориды и сульфаты являются стимуляторами коррозии.
295

Коррозионную активность определяют статическим методом (в частности, на
вращающемся коррозиметре) по количеству прокорродировавшего металла и
классифицируют по группам:
невысокая < 0,15 мг/см^
средняя 0,15 - 0,25 мг/см^
высокая > 0,25 мг/см^
Углеродистые стали и чугун, из которых обычно изготавливают водопроводные
трубы, характеризуются коррозионной стойкостью, т.е. способностью сопротивляться
коррозионному воздействию среды (воды).
Для оценки коррозионной стойкости, обусловленной свойствами металла
используют показатель изменения массы (скорость коррозии), К^, г/м^/ч, и глубинный
показатель (проницаемость) К^ мм/год.
По этим параметрам, используя принятую десятибалльную шкалу коррозионной
стойкости, находят группу стойкости и балл для испытуемого образца металла.
Углеродистые стали и чугун относятся к группе металлов с пониженной стойкостью
(/Г, = 0,1-1,0 мм/год).
Понятие «агрессивности^ воды связано с содержанием в ней соединений угольной
кислоты, присутствующей в форме недиссоциированных молекул Н2СО3
(незначительные концентрации), молекулярио растворенного углекислого газа СОг, бикарбонагных
ионов НСОз' и карбонатных ионов СОз^" (при рН > 8,4).
Соотношение между соединениями угольной кислоты в растворе при данной
температуре зависит от величины рН (рис. 15.8).
Принимается, что концентрация свободной углекислоты, представляющей собой
сумму Н2СО3 и СОг, соответствует концентрации СОг-
Рнс. 15.8. График соотношений
COi, НСО3- н СОз^- в завнсн-
мости от рН воды
При необходимости, содержание в воде свободной углекислоты для интервала
значений рН = 6-8,5 можно определить по номограмме, приведенной на рис. 15.9.
Между различными формами угольной кислоты в их водных растворах
существует динамическое равновесие:
2НС0:!: col
+ СО2 + н^о
296

с учетом приведенного уравнения реакции вводится понятие равновесной
свободной углекислоты, т.е. кислоты, необходимой для поддержания в растворе бикарбонатов
НСОз".
— о
— 5
— 10
15
— 20
=-30
=-60
|- 50
— 100
150
-200
■> t-300 2
Схрма
пользования
7 8,0
— 6.0
^5,0
1-4,0
■ 3.5
■ 3,0
•2,5
-400
^500
|-бО0
L700
— 800
3 - 2.0
— 1,5
- 1.0
рН
Г- 8,5
— 8,0
— 7.5
— 7,0
— 6,5
•— 6.0
О
О
0,5
Г 2
1-3
^ 4
— 6
~ 8
'— 10
'— 15
■_ 20
Е_ 30
I- 40
— 60
— 80
I- 100
}- 150
Е- 200
Е_ 300
L 400
Рис. 15.9. Номограмма дла определения содержания в воде свободной углекислоты
Вода, содержащая свободную углекислоту в концентрации, превышающей
равновесную, называется агрессивной, а в концентрации, совпадающей с равновесной,
называется стабильной.
Стабильность - свойство воды не вьщелять и не растворять осадок карбоната
кальция СаСОз-
Нарушение стабильности воды возможно в силу ряда факгоров: наличие
углекислоты СОг, О2 или H2S, низкое значение рН, пересыщенность карбонатом кальция или
гидроокисью магния, повышенная концентрация хлоридов или сульфатов.
О стабильности воды судят по показателю стабильности.
Для оценки стабильности воды экспериментально осуществляют технологический
анализ (карбонатные испытания). Для определения показателя стабильности
используют метод встряхивания воды в сосуде с порошком карбоната кальция в течение двух
часов (ГОСТ 3313-46). Показатель стабильности рассчитывают по формуле:
Я =^
A5.9)
где Щ^ - щелочность воды до контакта с порошком карбоната кальция, мг-экв/л; Щ^ -
щелочность воды после контакта, мг-экв/л.
297

При П„ > 1 - вода пересыщена карбонатом кальция и способна создавать на
поверхности труб защитную пленку. При П„ < 1 - вода является агрессивной и способна
растворять карбонат кальция. При П„ = 1 - вода считается стабильной. Таким образом,
результаты карбонатных испытаний позволяют выявить количественную тенденцию
воды растворять или выделять карбонат кальция.
Стабильность воды возможно оценить по наличию в ней свободной углекислоты в
агрессивной форме. Для этого необходимо аналитически установить ее содержание в
воде и, используя данные физико-химического состава воды, рассчитать равновесную
величину концентрации [С02]р по следующей формуле:
lg[COJp = рК, -рК,+рПР,^,^^ -ь1в[Са^^]-ь21я[Щ„]-37м"-5,9б ;(is.io)
гдерК\, рК2, Р^^СаСО' ~ обратные логарифмы термодинамических констант
соответственно первой и второй ступеней диссоциации угольной кислоты и произведения
растворимости карбоната кальция; ц - ионная сила, г-моль/л; [Са^*] - концентрация
кальция, мг/л; Щ - щелочность воды, мг-экв/л.
Концентрацию свободной углекислоты в агрессивной форме определяют по
формуле:
[С021,=[С0,1-[С0,1. (.5.11)
Вода считается стабильной, если [C02]e^p = О, агрессивной - при положительном
значении концентрации [С02]агр и пересыщенной по карбонапу кальция при
отрицательном значении.
Данные карбонатных испьгганий и анализ агрессивной углекислоты дают
возможность расчета еще одного из критериев оценки стабильности воды - потенциала
осаждения карбоната кальция, характеризующего степень насыщения воды СаСОз.
Потенциал осаждения ц СаСОз рассчитывается следующим образом:
по результатам карбонатных испытаний
11СаС0,=(Щ,-Щ^е\ A5.12)
по агрессивной свободной углекислоте
[СО J
liCaCO,=-'—^^ , A5.13)
е
где е' - эквивалентный вес по СаСОз, равный 50 мг; е - эквивалентный вес СОг по
реакции с СаСОз, равный 22 мг
Для обеспечения стабильности воды рекомендуется поддерживать потенциал
осаждения карбоната кальция на уровне положительных значений, равных 4-10
мгСаСОз/л.
Одним из широко распространенных расчетных критериев оценки стабильности
воды является индекс насыщения Ланжелье, который определяется из выражения:
298

/i = pH-pHs, A5.14)
где рН - величина рН исходной воды; pHs - рН равновесного насыщения воды
карбонатом кальция.
PHs= /,@-Л(Са^^)-/з(Я/) + /4(/') .
A5.15)
rae/iCtJ - функция температуры воды; f; (Са.^*) - функция концентрации в воде кальция;
/j (Щ) - функция общей щелочности воды;/^ (Р) - функция общего солесодержания.
Для практического нахоясдения величины pHs по формуле A5.15; можно
пользоваться номограммой, представленной на рис. 15,10.
- -1,2
70- -
60- :^■^
. -1,4
50
О
-1,5
- 1,6
°св 40+1.7
: -1,8
1,9.
30
ев
а
Ф
С
Ф 20-^-2,1
2,2
2.3
: - 2,4
'2,5
О -^2,6
10":
500.а-2 7
-lOO-i -2|б
300- :2,5
20(> -2',3
i -2,2
: -2,1
100? -2
бО: -1.8
- -1,7
40- -1.6
30- -1,5
- -1.4
5000-гЗ,7
•1000-
3000-
1-3,6
3.5
1-3,1
-Эооо-|-з,з
А-
20- -]1 "Л 5шо-\
10*- 1 CJ
8 ^ -0.9
6 -^ -0.8
5 -. -aj
4 : - Об
ч - -05
•^ T-o-i
■03
■02
" -01
1-*-0
-3,1
q 1000-1-3
=3 900-
800- - 2.9
700-
600-■ 2.8
-3,2
Ют-2
8 :.1,9
- -1.8
X +1.7
4 -1.6
3- -1,5
- -1,4
2--1.3
-1,2
600
550-
Г8.89
8,88
8,87
500-1-8.86
150-1- 8,85
8,84
400-
350-
300-
S
с'
2 250
Z -и
I 1 :- 1
"те 3 0»^-0.9 01
йё об!-о.8 3*200-Г
'-^ I 05:-0'^'*^§
§ 0,41-0.6
3 03-'0,5
-04
0.2- -0,3
-02
" -01
°'' " .50
I 100--8.72
8
-8,83
8,82
-8.81
-8,8
-1-8,79
8.78
-8,77
-8,76
?150--8.'^5
-8,74
-8,73
15-Г9,5
14-
13-
12
11-
10-
-8,71
-8,7
8,69
- 8,63
- 9,4
9
8
7
6 -
5 - - 9,2
4 -
3 -
- -9,3
9,1
2--9
1 -
-•- 8,9
Рис. 15.10. График для определения рН,
При 4 = 0- вода стабильна, при 4 < О - агрессивна, при /д > О -пересыщена по
карбонату кальция. Несмотря на ряд ограничений и приближенность, 4 до настоящего
времени является одним из расчетных показателей оценки стабильности воды.
Расчетным критерием стабильности воды является индекс Ризнера, основанный на
обобщении значительного количества эмпирических данных воздействия воды на
конструкционные материалы:
4 = 2рН,-рН.
A5.16)
Вода считается стабильной в области значений /д, равных 6-7, при /д > 7
агрессивна, при /yj < 6 - вода способна к осаждению СаСОз.
Для природных вод, прошедших реагентнуго обработку индекс насыщения Ланже-
лье определяют по рассмотренной выше методике. При этом щелочность воды, мг-
экв/л, и содержание свободной углекислоты, мг/л, после коагуляции могут быть
рассчитаны по следующим формулам:
299

щ = щ^.!^ , A5.17)
е..
[СО,]=[СОЛ+^^ . A518)
где ZZ^o - щелочность воды до коагуляции, мг-экв/л; [СО2] - концентрация свободной
углекислоты в исходной воде, мг/л, определяемая по рис. 15.9; Д^ - доза коагулянта,
мг/л; е^ - эквивалентная масса безводного вещества коагулянта, мг/мг-экв.
При одновременной обработке воды коагулянтом и хлором формулы будут иметь вид:
Щ^Щ,-^-ХП> [COj=[CO,l+44
^Д ^
A5.19)
где ХП - хлоропоглащаемость воды.
Методы стабилизационной обработки воды, применяемые в водоподготовке,
представлены в таблице 15.7.
Выбор последних в большей мере зависит от величины и знака индекса насыщения
обрабатываемой воды.
Стабилизация воды при li<0.
Реагентную обработку агрессивной воды проводят в два этапа: в начальный
период путем введения в воду реагента с расчетной дозой (Дщ^\) обеспечивают наращивание
на внутренних стенках труб защитной карбонатной пленки, при этом создают /£~+0,7.
После формирования защитной пленки обработка воды с целью ее сохранения ведется
дозами реагента (Дщд) при условии поддержания 4 ~= 0.
Расчет требуемой дозы подщелачивающего реагента, для каждого конкретного
случая производится по формулам, приведенным в табл. 15.8.
Точки ввода подщелачивающих реагентов устанавливаются в зависимости от
качества обрабатываемой воды и производительности водопроводных сооружений:
а) поверхностные малоцветные воды - в смеситель перед отстойниками или
осветлителями;
б) поверхностные цветные воды (для станций малой и средней
производительности) - перед фильтрами;
в) поверхностные цветные воды (для станций большой производительности) -
перед РЧВ в профильтрованную воду.
Расчет и конструирование оборудования для приготовления известкового молока,
растворов извести, соды и едкого натрия и дозирования щелочных реагентов следует
производить согласно требований, приведённых в разделе 13.
Стабилизацию воды можно осуществлять фильтрованием через мраморную
крошку или магномассу. Такой метод перспективен для малых водопроводов.
Расчет фильтров, применяемых преимущественно в безнапорном варианте, и при
определённом физико-химическом составе воды, производят по известной методике с
учетом рекомендаций, изложенных в таблицах 15.9, 15.10 для фильтров, загруженных
мраморной крошкой и магномассой соответственно.
300

I
>1
i
о
ю
a
о
i
X
Ю
C
>§
I
>§
g.
о ©■
I^a
5 i
3 1
^- W t^
s^ 2 u
о
a:
6
о
+
+
C^
a
:t:
^
С)
+
^
О
^
1
^
t
+
+
c5
о
1
^ s
>§
Ч
^
и
V s g
О О О
a
t
о
+
о"
+
о
ta
о cN о
о
а;
8
о
<N
■^
^
О
§
а;
h
G
О
С
а;
<N
+
^t;
8
^
с:
3
Ci
СС
^
Л1
%
;"^
ГМ
+
о'
£С
^
1)
X
8
ч
^
5
а
1
ю
о.
"8
^
S
S
X
1
00
«
1
С^
1^
5
о
2 в
с ■£
о н
о 1о
о >>
301

а
s
ё
а
Ь
о.
С
?
II
о
а
5
S1
о
S
я
I
о
3
«
и:
а
о
S
g.
О
8-1
б
S
о
g
I
I
а
3
S
g.
S
S
&
•е-
^
8
в
и
3-
8
3
8
s
+
g
S
V V
'XX ■
00 r^
V Л
'XX
о- о.
X
^. X =
^ II II
II uj» X
ax
u
II
+
+
3
oo'
о V
" X
■J a.
■^ V '
X
a.
00 oo
V Л
о. о.
1л
»о ^
S а
3
+
3
V
■:
-8
3
II
■:
-8
3
-8
3
I
3
II
4
1|^
302

m
n
/
/
''
/
f
12,0,
0 5 10 15 20 СсЛЦо 7,6 8 8.4 8,8 9,2 9,6 10 l0.4pHs
Рис. 15.11. Графики для определения коэффициентов Ш], т2< Шз
0.01
7.5 8
рНо
'5 5,5 6 6,6 7
рН воды
Рис. 15.12. График для определения Рис. 15.13. График для определения коэффициен-
коэффиаиента Р при стабилизациои- та х и ^ при стабилизациоиной обработке воды
иой обработке йоды подшелачиваии- подщелачиваиием (при pH„<8,4<pHJ
ем (при рН„<рН,<8,4)
303

Таблица 15.9
Технологические параметры для расчета фильтров с загрузкой из мраморной крошки
Показатель
Материал
Крупность зерен, мм
Высота слоя, м
Продолжительность контакта воды с
загрузкой, ч, при содержании в воде
до 5
10
20
30
40
50
Скорость фильтрования, м/ч
Высота слоя загрузки, м
Расход фильтрующего материала, г,
на 1 г связываемой [со Л
Повышение на 1 мг/л связываемой
углекислоты, мг-экв/л
Параметр
мраморная крошка без примесей окислов
железа
1-2
до 2,0
0,6
0,7
0,9
1,7
3,2
4,5
до 10,0
до 2,0
определяются
необходимой продолжн-
тельностью контакта
при снижении
[CC^aLp Д0 1-4
мг/л
2,7-3,0
0,046
Таблица 15.
Технологические параметры для расчета фильтров с загрузкой из магиомассы
10
Показатель
Фильтрующая загрузка:
материал
крупность зерен, мм
объемный (насыпной) вес, кг/м''
химический состав, %
MgO
СаСО^
(SiO^, Fe^O^ и т.д.)
высота слоя, м
Скорость фильтрования, м/ч
Промывка водная
интенсивность, л/см''
продолжительность, мин
Параметры
магиомасса
1-3
1000-1100
>22
>65
<8
1,2-2,2
по рис. 10.14, в случае 15-20 %
отклонения от заданных условий но не
более 50
15
10-15
304

Продолжение таблицы 15.10
Показатель
Промывка водо-воздушная
1 этап
водой с нитеисивиостью, л/с-м^
продолжительность, мии
2 этап
вода и воздух с ннтенсивиостью, л/с-м^
продолжительность, мии
интеисивиость, л/с-м^
продолжительность, мни
Повышение жесткости карбонатной
на 1 мг св. углекислоты, мг-экв
Параметры
16-8
1-2
3-4
5-6
20-25
5
0,027-0,03
h,
t=I2°C
25
S
« 20
s
со
S 15
=2.2м 1.5м 1.2м
с;
S
Ю- ■
65° 1?;
'. ifi-
■ -60
J -so'*
- ■ 40 '
; -30 •
Б-
; -20 ■
: -10 ■
_Й5°12i
-50 ■
10-
■40
-30 -
-20 5"
-10
р65°С
:40
гзо
:20
по
V
^
vS
■^
^ч
Ч
s^
\ч
'^
d.
<;.
X
>•=
1,9
Щ
мм
эле
BI
ЧН01
чг-э
ггь
кв/
Я01
л
*•
Рис. 15.14. График для
определения скорости фильтрования
воды через магномассу
крупностью 1-3 мм
20 30 40 БО 60
Концентрация СОа вгр в мг/л
70
Скорость фильтрования, м/ч, определяемая по графикам на рис. 15.14 может быть
откорректирована:
v = v_
1,9 h
гр
A5.20)
гр гр
где v^^ h^p и t^p - скорость, высота слоя и темперагтура воды, определяемые по графику
на рис. 15.14; d^^g. И, t - эквивалентный диаметр, высота слоя и температура для
расчетного случая.
Стабилизация воды при 1^ > 0.
Обработку воды технической серной или соляной кислотой осуществляют с целью
снижения в воде гидрокарбонатов, способствующих обрастанию труб.
Дозу кислоты в пересчете на товарный продукт в зависимости от соотношения рН
и pHs рассчитывают по формулам, приведенным в таблице 15.11.
305

Таблица 15.11
Определение дозы реагента для стабилизации воды

Характеристика воды
/l>0
рН < 8,4
/l>0
рН > 8,4
рН, < 8,4
/^>0
рН > рН, > 8,4
Расчетные формулы для
определения требуемой дозы реагента
100аЩ„е
Д^ = ,мг1л
Р
100
Д, =е[аЩ„+A-а)Ф] ,^
Р
ЮОеФ
Д^ = ,мг1 л
Р
Примечание
а = / (рН, Ii^ ) по рис. 10.53; Щ^ -
щелочность воды до обработки,
мг-экв/л; е - эквивалентный вес
кислоты: для серной - 49 мг/мг-экв, соляной -
36,5 мг/мг-экв; р - содержание
активного вещества в техническом продукте
Ф - щелочность исходной воды по
фенолфталеину, мг-экв/л;
а = / (рН, II ■)
для J1^ =8,4 - pHs
pHs- по рис. 15.10
дляЩ = Що-Ф
Рис. 1S.1S. График для
определения коэффици-
еита а при стабилизаци-
оииой обработке воды
подкислеиием
(рНз<рН<,<8,4)
1
I
п li * S S к
П 19 * * ^ L
0 10 ^5 i L
nMi:iii:::::::::::::::-s;":i-5:"jSii""
0 05- ^ 'Х-
Z'.ZllZ'.'.'.'.'.l'.l'.'.'.'.ll'.'.'.ZZ'.lZzZ'.'.'^y.'.'.'.Z
::::::::: ::::::::::::::::"::s::!i!:::::
.< =р?
0.010 XI
S 5,5 6 6.6 7 7.6 8 8.6 9
рИ воды
Ввод раствора кислоты производится в напорный или всасывающий трубопровод.
Для борьбы с коррозией и обрастанием труб преимущественно в системах промво-
доснабжения нащли применение вещества, способствующие замедлению коррозии
(ингибиторы). Действие ингибиторов проявляется в образовании защитных пленок на
катодных и анодных участках поверхности металла.
306

15.3. Обезжелезивание и деманганация воды
Под обезэюелезиванием или деферризацией понимают процесс извлечения нз
подземных и поверхностных вод железа, присутствующего в воде в виде сложных
органических и минеральных соединений, растворов двухвалентного железа, карбонатов и
бикарбонатов железа, коллоидных и тонкодисперсных взвесей гидроксидов и сульфитов
железа и т.д.
Повышенное содержание соединений железа в природной воде в концентрациях,
превышающих нормативные, делает ее не пригодной для питья и использования в
технологических процессах отдельных производств текстильной, химической,
целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности.
Методы обезжелезивания в практике водоподготовки представлены двумя
группами: безреагентные и реагентные. Область применения и сущность существующих
методов обезжелезивания воды представлены в таблице 15.12.
Выбор того или иного метода обработки природной воды, содержащей соединения
железа зависит от их количества и формы существования (рис. 15.16), качественного
состава воды и производительности очистных сооружений (установок).
Рнс. 15.16. Диаграмма
Пурбе для железа
рНМОЫ
Обезжелезивание поверхностных вод осуществляют в основном реагентными
методами, а для удаления железа из подземных вод наибольшее распространение
получили безреагентные методы обработки.
В состав большинства станций (установок) обезжелезивания (рис. 15.17),
работающих в безреагентном или реагентном режиме входят: аэрационные устройства;
оборудование для подачи сжатого воздуха и обеззараживания воды; в отдельных случаях -
отстойники с тонкослойными модулями или осветлители со взвешенным осадком; скорые фильтры.
К аэрациоиным устройствам, предназначенным для насыщения воды кислородом,
удаления части свободной углекислоты, частичного окисления двухвалентного железа в
трехвалентное, относятся вакуумно-эжекциоиные аппараггы, градирни, брызгальные
бассейны, баки-аэраторы.
Расчет аэрациоиных устройств производят в зависимости от способа
осуществления аэрации (подача воздуха во всасывающий патрубок насоса; свободный излив воды
с определенной высоты; инжекция или нагнетание воздуха в воду компрессором;
разбрызгивание воды в воздухе в вакуумно-эжекционном аппарате и.т.д.).
307

а
s
ё
'2
«
g
b
s
о
a
g
>.
и
i
.2
^
I!
>§
9
s
§
s
о
8-
X S
? о
2 \/l
- о
ii
о VI
it
I
i
I
g !«■
i: 5 о
s Й-ё-
, s
2 '=
^i
a -e-
II
© &
308

I
i
и О
о
%
и.
р
S
о
О
■5
V
S
CJ OV
О
ё
V
S
о
о
ч
1Л
X
S
е-
S
L.
?
Г4
Л
^
и
UU
с
S
о
ё
ж
S
S
ч
•ч-
Л1
X
S Л1
с" <=^
•л S
" о
i
и
||
11
^1-
ч
309

s
i
Л
и s
s
1§
!* -5
о ^
^=
и о
о —
О
ч
^ & 3
-в " и:
■5 о U S
22 " -Е- °
"о "В « t?
Is gi^
J " I я
uu о о ^
Ш11
Л1
X
о.
" о.
3 W .
а £ V
= -е-
I
'■ S
6 <
>§ I
е-
•е- 3
S^ 5 S £
о -.
i< si"
2 ^
= 25
g.
310

ftM^
Рис. 15.17. Схемы установок обезжелезиваиия природных вод (а-е):
а - «сухая» фильтрация; б - упрощенная аэрация (установка «Деферрит»); в - упрощенная
аэрация с двухступенчатым фильтрованием; г - вакуумно-эжекцнонная аэрация н фильтрование;
д - обезжелезнваиие в пласте, е - известкование (установка «Струя»)
1 и 4 - подача исходной н отвод обработанной воды; 1 - вакуумно-эжекинонный аппарат;
3 - скорый каркасно-засыпной фильтр; 5 - бак-аэратор; 6 - реагентное хозяйство; 7 -
насос-дозатор; 8 - насос; 9 - ресивер; 10 - скорый фильтр; 11 - ввод хлора (вариант); 12 - бактерицидная
установка; 13 - компрессор; 14 - скорый фильтр 11 ступени; 15 - водонапорная башня;
16 - сброс воздуха; 17 - трубчатый смеситель; 18 - камера хлопьеобразования; 19 -
тонкослойный отстойник; 20 - вспомогательный колодец; 21 - подача воды на аэрацию; 22 - зона аэрацнн;
23 - аэрацнонное устройство; 24 - кольцевой ннфнльтрационный бассейн; 25 -
эксплуатационный колодец
311

Вакуумно-эжекционный аппарат состоит из вакуумной камеры, обеспечивающей
повышение величины рН воды путем мгновенного удаления свободной углекислоты и
сероводорода, и коаксиально прикрепленных к ней эжекционных камер смешения.
Внутри вакуумной камеры находится конически сходящийся насадок, переходящий в
насадок Вентури.
Расчет вакуумно-эжекционного аппарата производится по схеме, представленной
на рис. 15.18, и заключается в определении следующих параметров: глубины вакуума в
вакуумной камере, размеров насадка Вентури, производительности
вакуумно-эжекционного аппарата, размеров вакуумной камеры и эжекционных камер смешения.
Глубина вакуума В принимается в пределах 0,05-0,1 МПа в зависимости от
содержания в исходной воде свободной двуокиси углерода и сероводорода. Меньшее значение
Шубины вакуума принимается для верхних пределов содержания указанных газов (п. 5-6
табл. 15.12) и наоборот. Промежуточные значения В определяются интерполяцией.
Производительность, м^/с, вакуумно-эжекционного аппарата рассчитывается по
формуле:
Q = [i^[i,,(o^2^ , A5.21)
где ц^„, (x„g - коэффициенты расхода соответственно конически сходящегося насадка и
насадка Вентури (табл. 15.13); ш - площадь поперечного сечения насадка Вентури, м^;
g - ускорение свободного падения, м/с^; Я - напор, м.
Для определения конической скорости истечения
воды, м/с, из обоих насадков используется формула:
A5.22)
^ = Ф.«Ф«.л/2«^ ,
где ф^„, ф„, - коэффициенты скорости соответственно
конически сходящегося насадка и насадка Вентури
(табл. 15.13).
Таблица 15.13
Тип иасадка
Внешний
цилиндрический
(Вентури)
Конически
сходящийся

Коэффициент
скорости,
Ф
0,82
0,96

Коэффициент
расхода.
0,82
0.94


фициент


тивления,^
1
0,98
d
kcti
' ■ ( d J
- d:j ^
t **' 1
1
t 'i" )
^^^^^
t
~i \
'-\
i
'
/
>
Ь
f
\
'
jk
V
Напор воды, м, перед насадком определяется по
формуле:
Я = 100(Р-Р.) , A5.23)
где Р - давление воды перед эжекционным
аппаратом, МПа; Р, - давление эжектируемого воздуха,
принимаемое равным атмосферному, МПа.
312
Рис. 15.18. Общий вид вакуумно-
эжекциоиной установки:
а - угол конусности; d-d^-
внутренний диаметр цилиндров; / -
длина насадка Вентури; /) - общая
длина цилиндра; li-1^- высота камера
смещения; /['- высота вакуумно-
эжекционной зоны; /," - рабочая
длина цилиндра

Диаметр насадка Вентури d, мм, определяется по табл. 15.14 в зависимости от
исходного давления воды Р, а его длина /, м, принимается равной 3-4 d.
Таблица 15.14
Давление Р, МПа
0,3-0,4
0,5-0,8
0,9 и более
Диаметр насадка Вентури ы ,
мм
5-10
5-30
5-40
Размеры конически сходящегося насадка рассчитываются по величине угла
конусности а, равного 13''24' и диаметра насадка Вентури, принятого по табл. 15.14.
Диаметр вакуумной камеры </, определяется по соотношению, в зависимости от
исходного значения Р, требуемого значения В (рис. 15.18-15.19) и принятому d, а ее длина
/, - по формуле 15.24:
СО,
/, =-L(P + 0,4)yW, >10б/, .
A5.24)
СО
где СО), 0) - площади поперечного сечения соответственно вакуумной камеры и насадка
Вентури, м^; Р - давление воды перед эжекционным аппаратом, МПа; rf,- диаметр
вакуумной камеры, м; А: - коэффициент шероховатости, характеризующий качество
внутренних стенок вакуумной камеры (для стали -к= \; нержавеющей стали А: = 1,1;
пластмассы А:= 1,2; стекла к= 1,3).
Рис. 15.19. Влияние давления (Р) на
величину вакуума (В) при
различных соотношениях площадей сопла
и вакуумной камеры:
1 - соотношение площади сопла н
вакуумной камеры 1 : 64; 2 - 1 : 25;
3-1 : 16;4-1 :6
ВМПа
009
0,08
0,07
0.06
0,05
0,04
0,03
0,01
■ -i*-
.j?-.
.1.ш1
!*!■:!
0,1
__.с.
'.ZZ'.Z'iZtz'.
::i;2_:::
:E'::::i
iiz.^T'i...
'Л'*~ш1-1'.
.tf.i.....
од 03 0
'.Z'Z't-tZZ
,4 0,5 0
6 км
ha
Количество эжекционных камер смешения, шт. рассчитывается следующим образом:
^сш =0.02t^e'^]f 0,04[СО,]+0,1б[Я,5]-0,05[Ог] A5.25)
313

где [Fe2+], [СО2], [HjS], [Oj] - концентрация в исходной воде соответственно
двухвалентного железа, свободной углекислоты, сероводорода и кислорода, мг/л.
Диаметр первой (после вакуумной камеры) эжекционной камеры смешения rf,/
следует принимать равным d,.
Диаметр и-й эжекционной камеры смешения принимается равным:
^, =
\ + 9tg^ d,„_, , A5.26)
где d,„.i - диаметр предыдущей камеры смешения, м; Р„ - центральный угол раскрытия
потока воды в и-ой камере смешения, градусы:
Р„=21ДРХ;Т , A5.27)
где ДРр - перепад рабочего давления воды, МПа:
^р-Р,п-^-Р. A5.28)
где Р,„.\ - рабочее давление в предыдущей камере смешения, МПа; Р^ -давление зжек-
тируемого воздуха, принимаемое равным атмосферному, МПа;
Рабочее давление воды после вакуумной камеры принимается равным Q,15P.
Рабочее давление после камеры смешения следует принимать равным:
Р„=0,8@,75Р) A5.29)
а в последующей камере Р^2 составляет 80% от f,].
Длина каждой камеры смешения определяется в зависимости от их диаметров:
Для равномерного эжекгирования воздуха по всему периметру камеры смешения
предусмотрены окна. Суммарная длина окон по периметру каждой камеры смешения
принимается равной половине ее окружности. Высота окна определяется в
зависимости от диаметра кaмq)ы смешения (табл. 15.15).
Объем зжектируемого воздуха составляет от 0,5 до 3,0 объемов обрабатываемой воды.
Проектирование градирен заключается в определении их площади, емкости
контактного резервуара, подбора вcпoмo^aтeльнoгo оборудования и загрузки (насадка).
При обезжелезивании воды принимают два типа градирен (рис. 15.20-15.21):
контактные (при производительности установок до 50-75 mV4) и вентиляторные (при
производительности установок более 75 м^/ч).
314

Таблица 15.15
Диаметр камеры смешения, мм
20-30
31-60
61-90
91-150
Высота окна, мм
5-6
7-8
9-10
11-15
Необходимую площадь градирни, м^, рассчитывают по формуле:
F =
Чуб
A5.31)
где Q^ - производительность установки, mVh; ^^^ - нагрузка, mVh на 1 м^ (табл. 15.16).
Таблица 15.16
Тип градирни
Контактная
Вентиляторная
Насадок
Кольца Рашига 25x25x3 мм (кокс, гравий)
Кольца Рашига 25x25x3 мм
Пластмассовые кольца 20x20x2 мм
Хордовая из деревянных брусков толщиной 40 мм
Нагрузка,
mVh на 1 м^
10-15
60
70
40
10
9 8
-^£^
11 12
Рис. 15.20. Высотная схема обезжелезивающей установки с контактной градирней:
1 - контактная градирня; 2 - контактный резервуар; 3 - скорый фильтр; 4 - резервуар чистой
воды; 5 - трубопровод, подающий исходную воду из скважин; 6 - трубопровод, подающий воду из
градирни в контактный резервуар; 7 - трубопровод, подающий воду из контактного резервуара на
фильтр; 8 - трубопровод, отводящий фильтрованную воду; 9 - промывной насос; 10 -
трубопровод, подающий промывную воду; 11 - насосы П-го подъема; 12 - трубопровод, подающий воду
потребителям
315

Рис. 15.21. Схема установки для обез-
железиваиия воды с веитиляториой
градирней:
1 - вентиляторная фаднрня; 2 -
вентилятор; 3 - резервуар; 4 - насос; 5 -
напорный фильтр
Необходимую площадь поверхности загружаемого насадка, м^, определяют по
формуле:
2,3^ Ig
С
F. =■
С,
к^
A5.32)
где C„g^ - суммарное расчетное количество свободной углекислоты, подлежащей
удалению, мг/л; Со„„ - содержание свободной углекислоты, соответствующее оптимальному
значению рН=7,0 при данной щелочности воды, мг/л (см. номограмму на рис. 15.40);
/Гд,. - коэффициент десорбции, м/ч, принимаемый по графику (см. рис. 15.42).
С.ах=Ь57С^е+(С„,,-С_),
A5.33)
где Ср^ - количество двухвалентного железа в обрабатываемой воде, мг/л; C„^, -
начальная концентрация свободной углекислоты в обезжелезиваемой воде, мг/л.
При расчете AQp, кг/м^, пользуются формулой:
С -С
Л/^ — way ^^опт
A5.34)
с„
Величины С^д, и С^^ подставляются в формулу в кг/м^.
Объем контакгноп) насадка, м^, определяют из его удельной поверхности (табл. 15.17)
и требуемой площади поверхности (см. формулу 15.32).
316

Таблица 15.17
Тип насадка
Кольцо Рашнга
Гравий
Кокс кусковой
Размеры элемента
насадка, мм
25x25x3
42
43
41
29
24
Количество
элементов на
1м^
53200
14400
14400
15250
27700
64800
Удельная поверхность
насадка, м /м'
204
80,5
77
86
ПО
120
Масса,
кг/м'
532
-
455
585
660
600
Высоту слоя загрузки (насадка) вентиляторной градирни принимают по табл. 15.18
в зависимости от общей щелочности исходной воды.
Таблица 15.18
Рекомендуемая высота слоя насадка при аэрацнн на вентиляторной фаднрне
Общая
щелочность
воды, мг-экв/л
0,5-2
2
3
4
5
6
6-8
Высота слоя насадка, м
кольца Рашига размером
25x25x3 мм
1,5
1,5
1,75
2,0
2,5
3,0
4,0
хордовая нз деревянных брусков
толщиной 40 мм
2,0
2,0
2.5
3,0
3,5
4,0
5.0
Объем контактного резервуара, предназначенного для завершения процесса
окисления двухвалентного железа и образования хлопьевидного гидроксида железа (III),
рассчитывают на продолжительность пребывания воды в нем в течение 30-60 минут в
зависимости от содержания в нем железа.
Производительность вентилятора, подающего воздух в вентиляторную градирню в
направлении, противоположном потоку движущейся воды, определяют по часовой
производительности обезжелезивающей установки Q^ и расходу воздуха на 1 м^
аэрируемой воды, принимаемому 10-12 м^.
Брызгальные бассейны (рис. 15.22), в которых аэрирование воды происходит за
счет ее фонтанирования, применяются при благоприятных климатических условиях или
в случаях, когда значительное содержание железа в воде или ее высокая окисляемость
требуют больших объемов контактных резервуаров.
Брызгальные бассейны проектируют из расчета интенсивности орошения, равной
5 м^/ч на 1 м2 площади бассейна, и обеспечения напора воды перед соплами не менее
15 м.вод.ст.
При использовании в технологической схеме обезжелезивания бака-аэратора его
рассчитывают на пребывание воды - 0,5-1 мин. Скорость излива воды из насадки через
отражаггель принимается равной - 1,5-2,0 мУс. Бак оборудуется трубопроводами подачи
и отвода исходной воды, перелива и полного опорожнения.
317

В резервуар
чистой воды
Гравий Песок
Рис. 15.22. Схема установки для обезжелезиваиия воды с брызгаль-
ным бассейном:
1 - насос; 2 - брызгальный бассейн; 3 - разбрызгивающие иасадки;
4 - контактный резервуар;5 - фильтр
При упрощенной аэрации обогащение воды кислородом воздуха предусмотрено за
счет излива ее в карман открьггого фильтра с высоты 0,5-1,0 м или путем подачи сжагго-
го воздуха в трубопровод перед напорными фильтрами в количестве 2,0-2,5 л на 1 г
содержащегося в воде двухвалентного железа.
В технологических схемах обезжелезиваиия воды, реализующих реагентные
методы (см. п.8-12 табл. 15.12), применяются следующие реагенты: хлор, хлорная известь,
перманганагг калия, озон, известь и сода.
Расчет устройств и подбор оборудования для приготовления и дозирования
рабочих растворов хлора и хлорной извести производится в соответствии с
рекомендациями, изложенньпии в главе 16 настоящего пособия.
Двухвалентное железо окисляется хлором или хлорной известью по реакции:
2Fe{HC0, \ + а^ + Са{НСО, )^ -> 2Ре{0Н), i +СаС1^ + бЩ t
Дозу хлорреагента, мг/л, определяют по формуле:
Д,=0,65^0.7§^е'^]
A5.35)
где [Fe2+] - концентрация двухвалентного железа в исходной воде, мг/л.
Для приготовления и дозирования раствора хлора обычно применяют вакуумные
хлораторы.
Хлорную известь, содержащую 32-36% аетивното хлора, используют на
установках малой производительности путем растворения ее в деревянных баках, отстаивания
и дозирования в воду в виде рабочего раствора концентрацией 1-2%.
318

Окисление двухвалентного железа пермангантом калия описывается следующим
уравнением:
ЗРе(НСОзJ +КМпО, +2Ufi -^ ЗРе(ОН)з i +МПО2 +5СО21+КНСО3
Расчетная доза перманганата калия, мг/л:
Д„ = ^^'] A5.36)
где [Fe^*] - концентрация двухвалентного железа в исходной воде, мг/л.
Концентрация рабочего раствора перманганата калия принимается в пределах
20-30% растворимости КМПО4 при данной температуре.
Расчет оборудования для приготовления и дозирования раствора КМПО4
рассмотрен в далее.
Хлорреагенты и перманганат калия вводят в подающий трубопровод перед
фильтрами или перед сооружениями для отстаивания и осветления воды.
При аэрации и известковании протекает химическая реакция, описываемая
уравнением:
4Ре(НСОзJ +8Са(ОНJ +0^ = 4Ре(ОН)з i +8СаСОз 4- -ьбНгО
Ориентировочно дозу извести (в пересчете на СаО), мг/л, рассчитывают по формуле:
Д„=0.8[СО,]+1,8Е^е^^] A5.37)
При обезжелезивании поверхностных вод, предусматриваемым одновременно с их
осветлением и обесцвечиванием, дозу извести (в пересчете на СаО), мг/л, определяют
по формуле:
1^ 22 28 в.
A5.38)
где [СОг] и [Fe^^] - концентрация свободной углекислоты и двухвалентного железа в
исходной воде, мг/л; Д^ - доза коагулянта, мг/л; е^ - эквивалентная масса безводного
коагулянта, мг/мг-экв.
Концентрация дозируемого в воду известкового молока принимается равной 3-5%.
В некоторых случаях для подщелачивания воды может применяться
кальцинированная сода, при этом окисление двухвалентного железа будет протекать по уравнению:
8На2СОз + 10Н2О + 4Ре(НСОзJ +0^ = 16ЫаНСОз +4Ре(ОН)з 4-
319

Доза соды в пересчете на ЫэгСОз, мг/л, вычисляется по формуле:
^,=2,5[COj+4E^e^^]. A5.39)
где [COj] и [Fe2+] - концентрация соответственно свободной углекислоты и
двухвалентного железа в исходной воде, мг/л.
Расчетная концентрация раствора соды - 5%.
Подщелачивающие реагенты рекомендуется вводить не перед фильтрами, а перед
отстойниками или осветлителями во избежание отложения карбоната кальция на зернах
загрузки.
При содержании железа в виде органических соединений или коллоидных частиц
применяют предварительную обработку воды озоном, при этом для удаления 1 весовой
части железа требуется 1 весовая часть озона.
При обработке вод, содержащих высококонцентрированиые устойчивые
комплексы железа по схеме, описанной в п.11 (табл. 15.12), эффект обезжелезивания зависит от
скорости движения воды в тонкослойных модулях, дозы щелочного реагента и
содержания двухвалентного железа в обрабатываемой воде.
Камеру хлопьеобразования (вихревого типа, совмещенную с тонкослойным
отстойником) рассчитывают на продолжительность пребывания воды в ней не менее 15
минут. Скорость движения воды, м/ч, в тонкослойных модулях определяют по формуле:
1001оЛу.р
1000Z,„A + v,F[2(C„-C_J + /r]'
где Lg - длина трубки отстойника, м; Aq - п^заметр, харакгеризующий величину
концентрации отложений, выпавших в отстойнике, г/л; v^ - критическая скорость потока в
отстойнике, м/ч; F - функциональный паргмегтр, зависящий от продолжительности
уплотнения осадка, ч; C„ и Сд„с„ - содержание железа соответственно в исходной и отгстоянной
воде, мг/л; К- концентрация нерастворимой взвеси в составе щелочного реагента, мг/л.
Эффект обезжелезивания воды в тонкослойном отстойнике составляет:
Э = 32,23 + 0,33vo -0,224v^ +1,28Д„ - 0,007Д^ +0,37С„ , A5.41)
где Д„ - доза извести, мг/л.
При флотационной обработке воды, содержащей двухвалентное железо, эффект
флотации можно определить по формуле:
Э = \ !— (l-e-"""' )• (•5-42)
и.Ша ^ ^
320

а эффект обезжелезивания:
Э - 61,26 + 0,12г - 0,25Я„ +0,056Д„ + 0,278[ре]+13,4/?. A5.43)
где и„ - скорость подъема пузырьков; / - продолжительность пребывания воды во
флотаторе; П„ - количество пузырьков воздуха в единице объема воды; Яд - высота слоя
воды во флотаторе; а - коэффициент вероятности закрепления пузырьков на хлопке гид-
роксида железа при подъеме его на 1 см.
Проектирование и расчет скорых фильтров в составе обезжелезиваюших установок
осуществляется в соответствии с данными, представленными в табл. 15.19-15.21.
Тип фильтровального сооружения, характеристика фильтрующего слоя (высота,
крупность загрузки и коэффициент неоднородности) и технологические параметры
процесса обезжелезивания (скорость фильтрования, продолжительность фильтроцикла,
интенсивность и продолжительность промывки) назначаются в зависимости от принятого
метода обезжелезивания (табл. 15.12).
При расчете каркасно-засыпных фильтров (п. 1 табл. 15.12) определяют
количество фильтрата Q, м^ч, получаемого с 1 м^ фильтрующей поверхности:
б = 100C7,3-4,8v-3,5[Fe]-(-0,27[Fe]')-l,67v[Fe] , A5.44)
при этом скорость фильтрования, м/ч, составляет:
V = 1 - 0,0б2[ре]- 0.003[Ре]', A5.45)
где [Fe] - содержание общего железа в обрабатываемой воде, мг/л.
Продолжительность фильтроцикла, ч, находят из выражения:
г =^Ц10_, A5.46)
где Ар - перепад давления при фильтровании, МПа; v - скорость фильтрования, м/ч;
т„- масса твердой фазы, задерживаемой фильтрующим каркасом при получении
единицы объема фильтрата, кг.
При расчете скорых фильтров, работающих по схеме «сухой» фильтрации (см. п.2,
табл. 15.12), продолжительность фильтроцикла, сут, составляет:
124001с/зА"
J - 2 A5 47)
* v[l-bO,08A2,8-0}lO"'"""'ln(C„/C^) '
где L - толщина слоя фильтрующей загрузки, м; d^ - эквивалентный диаметр загрузки,
мм; К - воздушно-водяное отношение; v - скорость фильтрования, м/ч; / - температура
воды, °С; рН - водородный показатель; С„ и С^ - содержание двухвалентного железа
соответственно в исходной воде и фильтрате, мг/л.
11-9858 321

Таблица 15.19
Параметры фильтрующей загрузки
Показатель
Материал загрузки
Высота слоя, м
Крупность зерен загрузки, мм
Скорость фильтрования воды, м/ч
Значение
песок, керамзит, антрацит, полистирол
1,8-2,0
1-2
12-15
Применимость метода обезжелезивания упрощенной аэрацией и фильтрованием
определяется условиями, описанными в табл. 15.12 (п.3-4). Расчет параметра а
производится по формуле 15.48 по данным пробного окисления закисного железа в окисное в
свободном объеме воды:
2+
а = -
2,3(lgF<„-lgFC)
A5.48)
где Fe^* - содержание двухвалентного железа, мг/л; /, - время окисления, ч, в /-м опыте.
Толщина слоя фильтрующей загрузки или скорость фильтрования могут быть
определены по эмпирическим формулам на основании технологических параметров,
полученных пробным обезжелезиванием:
_ка[02](\-т)Ч
■" dJn(CJC^) '
к =
d,vln(CJC^)
A5.49)
A5.50)
где к - константа реакции двухвалентного железа, мм-л/ч-мг; [О2] - содержание
растворенного кислорода в исходной воде, мг/л; т - пористость фильтрующей загрузки (для
песка т = 0,4; для антрацита т = 0,5); L - толщина слоя загрузки, м; d^ - эквивалентный
диаметр зерен загрузки, мм; С„ и С^ - содержание двухвалентного железа
соответственно в исходной воде и фильтрате, мг/л; а - коэффициент формы зерен равный:
для песка окатанного речного а=1,2;
для песка кварцевого остроугольного а=1,6;
для антрацита cf=1,8.
При выборе типа фильтров и их расчетных параметров в технологических схемах
обезжелезивания с вакуумно-эжекционной аэрацией (см. п.5-6 табл. 15.12) следует
руководствоваться данными, приведенными в табл. 15.20-15.22.
Продолжительность фильтроцикла принимается не менее 12 часов.
Контактные трехслойные фильтры КФ-5 рекомендуется применять на
заключительной стадии после аэрации воды и ее обработки окислителем (п.9, табл. 15.12).
Параметры фильтрующей загрузки приведены в табл. 15.22.
322

Таблица 15.20
Технологические параметры проектирования скорых фильтров
Показатель
Тип фильтра
Тип загрузки фильтра
Однослойная загрузка:
крупность загрузки, мм
эквивалентный диаметр, мм
коэффициент неоднородности
высота слоя, м
скорость фильтрования, м/ч
нормальный режим
форсированный режим
Двухслойная загрузка
Материал загрузки по слоям:
первый
второй
высота слоев, м, первый
второй
крупность загрузки, мм, по слоям
первый
второй
скорость фильтрования, м/ч
Продолжительность фильтроцикла, ч
Промывка
Значение
напорный (безнапорный)
однослойная (двухслойная)
0,8-1,8A-2)
0,9 - 1,0 (U-1,3)
1,5-2,0
1,0A,2)
7,0A0,0)
10,0A2,0)
кварцевый песок
дробленый антрацит
0,5
0,5
0,5 - 1,2
0,8-1,8
до 10
12
водо-воздушная
Таблица 15.21
Технологические параметры скорых фильтров
Показатели
Тип фильтра
Характеристика фильтрующих слоев:
диаметр зерен, мм
минимальный
максимальный
эквивалентный
коэффициент неоднородности
высота слоя, м
Расчетная скорость фильтрования, м/ч
Параметры промывки:
интенсивность, л/с-м^
продолжительность, мин
Тип загрузки
Исходное содержание железа, мг/л
до 10 1 10-16 1 16-30 1 16-30
скорый
0,9
1.8
1,1-1,2
1,5-2,0
\л
8-10
1,0
2.0
1,2-1,3
1,5-2,0
1,8-2,0
9
4,0
20,0
4,8
1,4-3,0
2,2-2,5
9-10
2,0
10,0
2,0-2,5
3,5-4,0
2,0-2,2
10,15
15-17
6-8
песок
16-18
7-8
песок
16-18
10-12
керамзит
16-18
10-12
керамзит
Ао/имонм/иовые 0иль/и/>ы для обезжелезивания и умягчения воды (п. 13 табл. 15.12)
рассчитывают по скорости фильтрования воды, принимаемой не более 25 м/ч. Толщину
слоя загрузки (сульфоуголя) назначают 2,5 м. В качестве регенерационного раствора
используется 5%-й раствор NaCl.
323

Таблица 15.22
Параметры загрузки
Материал загрузки
Высота слоя загрузки, м
Крупность зерен, мм
Фильтрующие слои КФ-5
верхний слой
керамзит
0,6
3,3 - 2,3
средний слой
антрацит
(доменный
шлак)
0,6
2,3 - 1,25
нижний слой
кварцевый
песок (горелые
породы)
0,6
1,25-0,8
Требования, предъявляемые к содержанию марганца в воде, используемой в
технологических процессах некоторых производств текстильной, бумажной и других
отраслей промышленности и подаваемой хозяйственно-питьевыми централизованными
водопроводами (Мп2+ 0,1 мг/л), вызывают необходимость деманганации воды.
В подземных водах марганец чаще всего встречается в форме бикарбоната
Мп(НСОзJ, хорошо растворимого в воде, в концентрациях от 0,5 до 4 мг/л.
Источниками попадания марганца в поверхностные водотоки, преимущественно в
виде MnS04 являются сточные воды промышленных предприятий. При наличии в
поверхностных водах гумусовых соединений, марганец присутствует в виде устойчивых,
трудно окисляемых органических комплексов.
Методы удаления марганца из воды
классифицируют на реагентные и безреа-
гентные; окислительные, сорбционные,
ионообменные и биохимичские (табл. 15.23).
Выбор метода деманганации обусловлен
условиями и областью его применения, в
частности, производительностью очистных
сооружений (установок), составом
обрабатываемой воды и количественным соотношением
показателей качества.
Наряду с другими представляют
интерес окислительные методы деманганации с
применением хлора, двуокиси хлора, озона,
перманганата калия и др.
Эффективность процесса окисления
двухвалентного марганца в диоксид
марганца зависит от соотношения окислительно-
восстановительного потенциала Е и рН воды
(рис. 15.23).
12 Эффективным и технологически
простым методом деманганации, не требующим
сложного оборудования для приготовления и
дозирования, является обработка перманга-
натом калия.
Применение перманганата копия (КМПО4), обладающего окислительными и сорб-
ционными свойствами, позволяет разрушать устойчивые органические комплексы
железа и марганца, а также интенсифицировать процесс коагуляции.
Е,В
+1,2
+1,0
+0,8
+0,6
+0,4
+0,2
О
-0,2
-0,4
-0.6
ч^.
7^
*%.
Мп==^
-..
восстановител
1 1
окислительн ая
среда
•**
:•
ьна!^ ,
среда
1 1
МпО*
.%
■ Illlll ■
Л
"•*,
'^
1
•**
МпгОз
МтоОз 1
MnsO»™
П?
Ill
Mn@HJ
■>••■«
6
рН воды
10
Рис. 15.23. Диаграмма Пурбе
для марганца
324

Двухвалентный марганец окисляется перманганагом калия с образованием
малорастворимой двуокиси марганца, осадок которой является сорбентом вследствие его
большой удельной поверхности:
3Mn'"+2MnOi+2HjO
5MnOj i-f4H'
Для окисления 1 мг Мп^* требуется 1,88 мг КМПО4.
Дозу перманганата калия при удалении марганца из цветных вод принимают
большей на величину, требуемую для окисления органических веществ, обуславливающих
цветность воды.
Схема установки для удаления марганца из воды перманганагом калия
представлена на рис. 15.24. Установка биохимической деманганации воды представлена на
рис. 15.26
Основными элементами блока приготовления перманганата калия являются: баки
для приготовления рабочего раствора КМПО4; устройства для гидравлического или
механического перемешивания, предназначенные для интенсификации процесса
растворения; насосы-дозаторы; склад реагента.
Расход раствора КМПО4, л/с, вычисляют по формуле:
Яп
ОДп
A5.51)
3600С '
где Q - расход воды, поступающей на станцию, м^/ч; Д„ - доза перманганата калия, г/м^;
С - концентрация рабочего раствора КМПО4, г/м^.
-El
12
н
Рис. 15.24. Схема установки для удаления марганца нз подземной
воды перманганагом калня:
1 - растворные баки КМПО4; 2, 5 - насосы-дозаторы; 3 - ввод раствора КМПО4; 4 - ввод
активированной кремнекислоты; 6 - фильтры; 7 - растворный бак серной кислоты; 8 - растворные
баки активированной кремнекислоты; 9 - перфорированные трубы; 10 - воздушная петля; 11 -
компрессор; 12 - резервуар для промывной воды; 13 - промывной насос
325

I
Я
s
s
d.
3
g
Ш
s
IK
s
s
и
i
1
if
•e- Э-
g.s
|l!
'•e-2
326

I
и
^ S
1П
о
11
о с
llli
а а
о
ч
g
ffl
° 5
X о.
§«
i о
ю 3
* "
■* S
I
ч
о
и
с
t
: 5 1
g * S
S о )S
а S о
о I 5
С S g
^§ г
i 8
15
9. В
X S
3 X
« S
S S
с
с
S Е-
I
is
о и
S
I
о
а
а<6
S
ч
S
9
S
S
S
-к
§
327

"В ''^
,• 3G0
1 300
^ 240
iS
о 180
S
S
=■120
« 60
0
Рис. 15.25. График растворимости в воде
пермангаиата калия
10 20 30 40 50 60 70 80 90 1°С
Концентрацию раствора ориентировочно принимают в пределах 20-30%
растворимости КМПО4 при данной температуре (рис. 15.25).
Для более точного дозирования в производственных условиях концентрацию
рабочего раствора КМПО4 определяют после приготовления каждой порции по объему
пошедшего на титрование раствора КМПО4 по формулам:
С =
W
С = 31,6—.
b
A5.52)
где G - масса засыпанного в бак КМпОд, г; fF- полезная емкость бака, л; Ь - объем
раствора КМПО4, пошедшего на титрование, мл; 31,6 - содержание КМПО4 в 1 н. растворе, г/л.
Рис. 15.26. Установка для биохимической демаигаиации воды (см. табл. IS.23):
1 - подача исходной воды; 2 - реактор биохимического окисления; 3 - устройство для
приготовления раствора триполифосфата натрия; 4 - воздуходувка; 5 - скорый фильтр; 6 - отвод фильтрата
Устройства для перемешивания рабочего раствора рассчитывают по
интенсивности подачи воздуха, равной 4-5 л/с-м^. Продолжительность перемешивания при этом
составляет в горячей воде - 2-3 часа, в холодной 4-5 часов.
Площадь склада КМПО4 определяют по суточной потребности в реагенте,
необходимости хранения месячного запаса и условий разовой поставки.
Перманганат калия выпускается двух сортов (табл. 15.24), упаковывается в
стальные барабаны или банки массой соответственно по 60 и 25 кг.
328

Свойства перманганата калня (ГОСТ 5777-71)
Таблнца 15.24
Показатель
Содержание КМпО^, не менее
Содержание двуокнсн марганца МпОг, не более
Содержание сульфатов, 804^', ие более
Норма, %, для сорта
1-го
96
2,5
0,4
2-го
92
3,0
0,8
В зависимости от технологической схемы очистки воды подача в обрабатываемую
воду раствора перманганата калия осуществляется на насосной станции 1-го подъема
или на водопроводной станции в трубопровод перед смесителем до ввода коагулянта и
флокулянта не менее чем за 5-10 минут.
При удалении марганца из подземных вод перманганат калия вводится перед
фильтрами одновременно с активированной кремнекислотой (в количестве 3-4 мг/л).
Реагентное хозяйство (отделение коагулянта, флокулянта, извести) проектируют по
рекомендациям, изложенным в главе 13, устройства для приготовления и дозирования
хлорреагента - в главе 16.
Расчет отстойников, осветлителей со взвешенным осадком и скорых фильтров в
напорном и безнапорном варианте в составе установок для удаления марганца и железа из
природных вод следует осуществлять по известной методике, изложенной в разделе
«фильтровальные сооружения». Параметры загрузки и тип фильтров можно принимать
по табл. 15.21.
15.4. Умягчение воды
Под умягчением воды понимают процесс снижения концентрации катионов
кальция и магния, обуславливающих жесткость воды.
Различают жесткость общую (Жд), карбонатную (Ж^) и некарбонатную (Ж„^).
Карбонатная жесткость обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов кальция
и магния, некарбонатная жесткость - содержанием в воде кальциевых и магниевых
солей серной, соляной и азотной кислот.
В соответствии с действующими нормативами величина жесткости в воде
питьевого качества не должна превышать 7 мг-экв/л. Поверхностные воды имеют в
большинстве случаев жесткость, не превышающую нормативную. Для подземных вод ее величина
варьируется чаще всего в пределах от 1,5 до 15,0 мг-экв/л и их подготовка для
хозяйственно-питьевых нужд требует умягчения. Кроме того, показатель жесткости строго
лимитируется в воде, используемой для питания барабанных котлов, в теплообменных
аппаратах и охлаждающих устройствах, а также в ряде производств текстильной и
бумажной промышленности.
Существует ряд методов умягчения (реагентный, ионного обмена (катионитовый),
диализ, термический, комбинированный), выбор которых определяется качеством воды,
необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями.
Основные характеристики и условия применения методов умягчения воды приведены в
таблице 15.25.
329

я
s
ё
HIP
u
u
я
r S
2
о
о
о
s
X
s
о
о"
>s
2
X
X
i
и
8.
X
i
2 >S
^3
z
S 3
o. us
§ g
о
о
II,
о
2
i
о
о
o.
о
с
330
о
о
<N
о
ч
2
§
X
2
-§
* 2

Наибольшее распространение в практике получили реагентный и ионообменный
методы умягчения.
Реагентный метод умягчения заключается в связывании ионов Са^* и Mg2+
химическими веществами в малорастворимые соединения: СаСОз, Mg@HJ, Саз(Р04J,
М§з(Р04J и др. В зависимости от применяемого реагента различают: известковый
(Са@НJ), известково-содовый (Са(ОНJ+Ыа2СОз), содово-натриевый СМагСОз+ЫаОН),
бариевый (ВаСОз или Ва@НJ), фосфатный (ЫазР04) и другие способы реагентного
умягчения.
Для частичного устранения карбонатной жесткости применяют умягчение воды
известкованием, которое описывается следуюищми основными реакциями:
СО^ + Са@НJ = СаСОз i +HjO
Са(НСОзJ +Ca(OH)j = гСаСО, 4- +Щ0
MgCOj +Са@НJ = СаСОз i +Mg(OH)j i +1
Одновременно с известкованием воды проводят и ее коагулирование с
использованием в большинстве случаев железного купороса FeS04-7H20.
Доза извести, в мг/л, определяется для двух расчетных случаев в зависимости от
соотношения концентрации в воде Са^* и карбонатной жесткости:
а) ^а'*}20<Ж, ,
" I, 22 ' 20 е.
A5.53)
б) ^:а'*}20>Ж, ,
Д„=28
22 е.
A5.54)
где [СО2], [Са^*] - концентрации в воде свободной двуокиси углерода и ионов кальция
соответственно, мг/л; Ж^ - карбонатная жесткость воды, мг-экв/л; Д^ - доза коагулянта
(FeS04 в пересчете на безводный продукт), мг/л; е, - эквивалентная масса активного
вещества коагулянта (для FeS04 - 67), мг/мг-экв; 0,5 и 0,3 - избыток извести для
обеспечения большей полноты реакции, мг-экв/л.
Вьфажение Д/е, берут со знаком «+», если коагулянт вводится в воду после
извести или одновременно с ней, и со знаком «-» при введении коагулянта до извести.
Дозу коагулянта, мг/л, определяют по формуле:
Д.=з^с,
A5.55)
где С - количество образующейся при реагентном умягчении воды взвеси (в пересчете
на сухое вещество), мг/л.
331

С=М„+50
V 22 ') 12 Ч 100
A5.56)
где М,^ - содержание взвешенных веществ в исходной воде, мг/л; т - содержание
СаО в технической извести, %.
Снижение некарбонатной жесткости наряду с карбонатной может быть достигнуто
применением известково-содового способа умягчения воды.
При введении в воду гашеной извести происходит нейтрализация свободной
углекислоты и распад бикарбонатов, а добавление в умягчаемую воду раствора соды
способствует снижению некарбонатной жесткости:
CaSO^ + Ыа^СОз = ЫагЗО^ + СаСО, i
CaClj + Na^COj = 2NaCl + CaCOj i
Дозу извести и соды, мг/л, определяют по следующим формулам:
f
Д„=28
22 12 е.
0,5
A5.57)
Д. =53
Ж„+^ + 1
V
A5.58)
где Ж„^ - некарбонатная жесткость, мг-экв/л; [Mg2+] - концентрация в воде ионов
магния, мг/л.
Наличие в обрабатываемой воде органических примесей усложняет процесс
известково-содового умягчения воды, в связи с этим на первой стадии воду коагулируют с
использованием солей железа. При этом дозу коагулянта, мг/л, и количество взвеси,
мг/л, образуемой в процессе умягчения, рассчитывают по формулам A5.55) и A5.59)
соответственно:
С = М^+5й Жа + Ж^+^^^^^^+0,5 U29
feJ.n.^..otell^-ПОО-т
■Ди\
100
A5.59)
где Жд - общая жесткость воды, мг-экв/л.
Содово-натриевый способ умягчения воды применяют в случаях, когда
карбонатная жесткость больше иекарбонатиой. Область применения этого способа
ограничивается высокой стоимостью едкого натрия и образованием в процессе обработки воды
значительного количества свободной углекислоты, вызывающей коррозию металла и
повышение сухого остатка.
При условии A5.60) достаточно использование одного NaOH:
^с.+^^=2Ж^+С0, ,
A5.60)
332

где Ж(-^ - кальциевая некарбонатная жесткость, мг-экв/л; Щизб ~ заданная щелочность
умягченной воды, мг-экв/л; 2Ж^- количество соды, образующейся при взаимодействии
едкого натрия с карбонатной жесткостью, мг-экв/л; СО2 - содержание свободной
углекислоты в умягчаемой воде, мг-экв/л.
Необходимую дозу, мг/л, едкого натрия определяют по формуле:
л,.=4(/ж..^1к:^.^.о.з
\
V
1,35
22 12
A5.61)
При введении коагулянта до едкого натрия знак выражения Д/е^ изменяется на
противоположный.
В случае, когда Жса + Щизб > 2Ж^ + СОг в воду помимо едкого натрия необходимо
добавлять соду для устранения кальциевой некарбонатной жесткости, при этом доза
соды, мг/л, будет увеличиваться по мере повышения некарбонатной жесткости и
определяться по формуле:
'ж,,-2Щ,-^+щХ A5.62)
где Щ^ - щелочность исходной воды, мг-экв/л.
Область применения бариевого способа умягчения воды ограничивается высокой
стоимостью и токсичностью реагентов. Однако для промышленных объектов, где
требуется помимо умягчения и частичное обессоливание (удаление сульфатов) воды,
использование бариевых солей является перспективным.
Химизм процесса описывается следующими реакциями:
CaSO, -ь Ва{ОН\ = Са{рН\ -ь BaSO^ 1
MgSO, -h Ва(рН\ = Mg{OH\ -h BaSO, i
Ca{OH\ + Ca(HCO^)^ = ICaCO, i +2H^0i
Требуемая доза бариевых солей, мг/л, и доза углекислоты (для перевода карбоната
бария в бикарбонат) могут быть определены по следующим формулам:
гидроокиси бария Ва@НJ (продукт 100% активности):
Д, =1,8^0,'-], A5.63)
алюмината бария BaAl204:
Д5=128Жо A5.64)
333

угпекислого бария ВаСОз:
Д,=2,07у^О^-], A5.65)
Д^, =0,46^0^1 ('^-^^^
где [SO42-] - концентрация сульфатов в умягчаемой воде, мг/л; у = 1,15-1,2 -
коэффициент, учитывающий потери углекислого бария.
Фосфатный способ умягчения применяют для доумягчения воды после ее
обработки известью и содой. Наиболее глубокий эффект умягчения достигается при
подогреве воды до 105-150 °С.
Процесс умягчения воды тринатрийфосфатом (Na3P04) описывается следующими
реакциями:
ЗСа(ЯСОзJ + INa^PO, = Са^{РО,)^ i +6NaHC0,
3MgCl2 + INa^PO^ = Mg^liPO^)^ I +6Naa
Дозу безводного тринатрийфосфата, мг/л, определяют по формуле:
Д^=54,67(Ж_-ьО,18) .A5.67)
где Ждет ~ остаточная жесткость умягченной воды перед фосфаггированием, мг/л.
Основными элементами установок для реагентного умягчения воды являются:
устройства для приготовления и дозирования реагентов, смесители, камеры хлопьеобра-
зования (при необходимости), вихревые реакторы, осветлители со слоем взвешенного
осадка и фильтры.
Выбор технологической схемы реагентного умягчения воды известковым или изве-
стково-содовым способами определяется количеством и качеством обрабатываемой
воды: жесткостью воды, соотношением ее компонентов и содержанием взвешенных
веществ. Область применения отдельных технологических схем реагентных водоумягчи-
тельных установок приведена в таблице 15.26.
Таблица 15.26
Область применения реагентных технологий
Технологическая схема
Реагеитное хозяйство - вихревой реактор - фильтр (рис.
15.27)
Реагентиое хозяйство - вихревой реактор - осветлитель
- фильтр (рис. 15.28)
Область применения
Mq =8-12 мг/л,
ГМя^1<15мг/л
Mq =8-12 мг/л,
[Mg'>15 мг/л
Для приготовления известкового раствора на установках малой
производительности (до 100 мЗ/ч) применяют сатураторы, а иа крупных очистных станциях -
механизированные установки, включающие бункер для приготовления извести, дробил!^, извес-
тегасильное устройство, баки для известкового молока с мешалками.
Расчет установок для приготовления и дозирования растворов реагентов для
умягчения воды и ускорения процессов ее осветления, а также смесителей вертикального
типа и камер хлопьеобразования приведены в главе 13.
334

Расчет осветлителей со взвешенным осадком производится по аналогии с расчетом
осветлителей для очистки коагулированных мутных вод с учетом некоторых
особенностей (табл. 15.27).
Таблица 15.27
Технологические параметры осветлителей со взвешенным осадком
Показатель
Восходящая скорость движения воды в зоне осветления, мм/с:
при магниевой жесткости менее 25%
при магниевой жесткости более 25%
Средняя концентрация взвешенных веществ, мг/л, в осадкоу плотнителе:
при магниевой жесткости менее 25%
или 75% общей жесткости
Продолжительность уплотнения осадка, ч, при магниевой жес ткости менее 25 %
или 75% общей жесткости
Скорость движения воды, м/с, в опускных трубах для распр еделения воды
Значение
1,0
0,8
40000
20000
3-4
5-6
0.7
777777777777777,
&7h^W^,>7A^//7>^,
V77P777Z\
V7777.
ш
U
Рис. 15.27. Водоумягчительная установка с вихревым реактором:
1 - бункер с контактной массой; 2 - эжектор; 3, 8 - подача исходной и отвод умягченной воды;
4 - вихревой реактор; 5 - ввод реагентов; 6 - напорный осветлительный фильтр; 7 - резервуар
умягченной воды; 9 - сброс контактной массы
4
F#1
iH£^
i:
>U^
: ^Зя * гг^ /^Xtvi Трулу w }?л\ »^f f»»
m ^» m
2 1
Рис. 15.28. Установка известково-содового умягчения воды:
1,8- подача исходной и отвод умягченной воды; 2 - эжектор; 3 - бункер с контактной массой;
4 - вихревой реактор; 5 - ввод реагентов; 6 - осветлитель со слоем взвешенного осадка; 7 -
осветлительный скорый фильтр; 8 - отвод умягченной воды; 9 - сброс контактной массы
335

При расчете вихревого реактора (с учетом данных, приведенных в табл. 15.28)
определяют геометрические размеры реактора: диаметр верхней и нижней части, высоту
усеченного конуса и объем; параметры контактной массы: вес, высоту загрузки и
потери напора.
Таблица 15.28
Технологические параметры вихревого реактора
Показатель
Скорость входа воды в реактор, м/с
Угол коиусиости
Скорость восходящего движения воды иа
уровне водоотводящих устройств, мм/с
Контактная масса:
материал
диаметр зерен, мм
плотность заполнения реактора, кг/м'
Зиачеиие
0,8-1,0
15-20
4-6
кварцевый песок, мраморная
крошка
0,2-0,3
10
Диаметры верхнего и нижнего сечения реактора находят по соответствующим
площадям поперечного сечения, м^, определяемым по формуле:
J ем
N-V.
A5.68)
где q - производительность станции, м^/с; Л^- количество реакторов, шт.назначаемое из
расчета загрузки в один реактор контактной массы в количестве ~ 10 kt/Im^ объема;
Vg„ - скорость движения воды в верхней и нижней части реактора, принимаемой
соответственно 0,8-1 мм/с и 4-6 м/с.м/с.
По принятой величине угла конусности рассчитывают высоту усеченного конуса, м:
h = -id.-djctg-
A5.69)
где dg, d„ - диаметры верхнего и нижнего сечения соответственно, м; а - угол конусности.
Вес контактной массы, кг, необходимой для загрузки одного реактора, составляет:
С,=Ж.р,
A5.70)
где W- объем реактора, определяемый по формуле A5.71), м^; р - плотность
заполнения реактора контактной массой, кг/м^.
^--h{f,+ylfZ + fJ
A5.71)
Расход свежей контактной массы, кг/сут, добавляемой в процессе обработки
составляет:
336

G„ =0,045^^, A5.72)
где q - производительность станции, mVh; Жд - удаляемая в peaicrope жесткость воды,
мг-экв/л; Л'^ - количество реакторов, шт.
Высоту загрузки контактной массы, м, определяют из расчета:
h=0,5h. A5.73)
а потери напора, м, в ней:
h =0,35А A5.74)
При обработке воды в вихревых peaicropax реагент для умягчения вводится в
нижнюю часть сооружения, а добавление коагулянта не рекомендуется.
Проектирование фильтров следует осуществлять согласно методике,
рассмотренной в главе 13, при этом крупность песка принимают равной 0,5-1,2 мм; тип фильтров
- однопоточные или двухслойные, оборудованные устройствами для верхней промывки
фильтрующего слоя.
Катионитовый метод умягчения основан на способности некоторых материалов
(катионитов) обменивать каггионы Na+, Н+ или NH4*, которыми предварительно
«заряжены» их аетивные группы, на присутствующие в воде каггионы Сг^* и Mg^*,
обуславливающие ее жесткость. Различают процессы Na% И- и NH4- катионирования, которые
могут быть представлены следующими реакциями обмена:
Na - катионирование:
2Иа[к]+ Са{НСО,), -^ Са[к\ + INaHCO^
INalKy CaCl^ -^ Са[к\ + INaCl
2Na[K\r CaSO, -^ Са[к\ + Na^SO,
H - катионирование:
2H[k]+ Са(НС0,J -^ Са[к1 + IH^O-hICO^ t
2Я[/:]-ь CaCl^ -^ Са[к1 + 2HCI
2H[k'\+ CaSO^ -^ Са[к\ -ь H^SO,
Н[к\г NaCl -^ Na[K]+ HCl
2H[k]+ Na^SO, -> 2Na[K]+ H^SO,
337

NH4 - катионирование:
2NH^[К\г Са(НСО^)^ -^ Са[к1 + 2NH,HC0^
2NH, [К]+ CaCl^ -^ Са[к1 + INH.Cl
NH^ [а:]+ NaCl -^ Ыа[кУ NH^Cl
Такой же характер будут иметь реакции Na-, Н- и NH4- катионирования в
отношении магниевых солей.
Условия эффективного применения способов катионитового умягчения,
определяемые качеством исходной воды и требованиями, предъявляемыми к умягченной воде,
приведены в таблице 15.30. В случае если качество умягчаемой воды не отвечает
требованиям необходимо ее предподготовка.
При проекгировании кагионитовых установок особое внимание следует уделять
выбору типа фильтрующего материала (катионита), свойства которого (в частности,
полная обменная емкость) наряду с другими факторами определяют скорость
прохождения ионообменных реакций и эффективность процесса умягчения в целом.
Характеристики применяемых в настоящее время в водоподготовке катионитов приведены в
таблице 15.29.
Состав кагионитовых установок диктуется характером процесса умягчения,
осуществляемого в два этапа: собственно умягчение путем фильтрования через набухший ка-
тионит и регенерация катионита (взрыхление, обработка регенерационным раствором и
отмывка). Основные элементы водоумягчительных установок: катионитные фильтры
(напорные или безнапорные); баки с водой для взрыхления; сооружения и устройства
для хранения, приготовления, дозирования и подачи регенерирующих растворов;
насосное и воздуходувное оборудование (рис. 15.29-15.33).
Таблица 15.29
Характеристики катионитов
Марка
катионита
Сульфоуголь
{сортСК-1)
КУ-1
КУ-2
КУ-2-8,С
КБ-4-П2
Амберлайт-50
Зеролит 225
Пьюролайт м арок:
С 100
СЮОЕ
С 145
Активная ФУ ппа
(тип матрицы)
НСОз
тоже
м
и_
соон
тоже
н
Полистирольная
гелевая
Полистирольная
гелевая
Полистирольная
макропористая
Насыпная масса проду кта, т/м'
товарного
0,67-0,70
0,60-0,75
0,73
0.70-0,90
0,68-0,82
0,50
0.М
0,7-0,9
0,7-0,9
0,7-0,9
набухшего
0,42
0,33
0,65
033
0,17-0,33
0,42
0,56
влажность, %
44-48
46-50
55-60
Размер
зерен,
мм
0,5-U
0,3-2,0
0,3-1,5
0,4-1,5
0,25-1,0
0,3-1,0
0,3-1,0
0,4-1,5
0,4-1,5
0,4-1,5
Полная
обменная
емкость,
г-экв/м'
500
650
1700
1700
2800
2800
2000
2000
1900
1500
338

о
a
я
s
ё
e2
2
ca
к
s
X
E
a
S
S
8
о
ca
e
о
s
s
X
<u
X
<u
s
s
a.
с
I
m
MS a
If
s;
z g
N IN
о
V
NiN
N In
5
u r\
p
*°^
-—>
¥
b
•—'
^ V
\
- Г-,
+
^°^
>—■
X S Ё
I
IS
О
и
О
и
2,
О.
i
•е-
л
i-
?t
if
339

X^Sb
5 7
Рис. 15.29. Схема одноступенчатого
иатрий-катнонировання воды:
1,7- подача исходной и отвод
умягченной воды; 2 - натрнй-катноннтовый
фильтр; 3 - бак с раствором поваренной
солн; 4 - бак с частично умягченной
водой для взрыхления катионита;5 -
резервуар умягченной воды; 6 - насос; 7 -
подача умягченной воды потребителю
I ^«j i -.-.Л
Й
Рис. 15.30. Схема двухступенчатого Na-катноннрования:
1 - подача исходной воды; 2 - Na-катионнтовые фильтры I ступени; 3 - Na-катноннтовые
фильтры II ступени; 7 - бак с раствором солн для регенерации фильтров I ступени; 8 - - бак с
раствором солн для регенерации фильтров II ступени; 9 - бак с водой для взрыхления; 4 - резервуар
умягченной воды; 5 - насос; 10 - резервуар ;1ля приема промывной воды; 6 - отвод умягченной
воды
трубопровод подачи воды для взрыхления
-.-.-.-.-.-.-.- - трубопровод отвода воды после взрыхления
-с-с-с-с-с-с - трубопровод подачи солн
-х-х-х-х-х- - трубопровод отвода первого фильтрата
340

Рис. 15.31. Схема паралельиого водород-иатрий катиоиитового умягчения воды:
1 - подача исходной воды; 2 - солерастворитель; 3 - группа Na-катионитовых фильтров; 4 -
смеситель; 5 - группа Н-катионитовых фильтров; 6 ~ дегазатор; 7 - резервуар умягченной воды;
8 - вентилятор; 9 - насос; 10 - отвод умягченной воды; 11 - бак для взрыхления; 12 - бак для
хранения раствора кислоты; 13 - резервуар отвода воды после взрыхления
- трубопровод подачи воды для взрыхления
-.-.-.-.-.-.-.- - трубопровод отвода воды после взрыхления
-с-с-с-с-с-с - трубопровод подачи соли
-к-к-к-к-к- - трубопровод подачи кислоты
-х-х-х-х-х- - трубопровод отвода первого фильтрата
ШИ|^^1^
Рис. 15.32. Схема последовательного водород-иатрий катиоиитового умягчения воды:
1 - подача исходной воды; 2 - группа Н-катионитовых фильтров; 3 - дегазатор; 4 - резервуар
умягченной воды; 5 - насос; 6 - фуппа Na-катионитовых фильтров; 7 - солерастворитель; 8 ~
отвод умягченной воды; 9 - бак для хранения раствора кислоты; 10 - бак для взрыхления; 11 - бак
после взрыхления; 12 - вентилятор
трубопровод подачи воды для взрыхления
-.-.-.-.-.-.-,- - трубопровод отвода воды после взрыхления
-с-с-с-с-с-с - трубопровод подачи соли
-к-к-к-к-к- - трубопровод подачи кислоты
-х-х-х-х-х- - трубопровод отвода первого фильтрата
341

Рис. ISJ3. Схема совместного водород-натрнй катионитового умягчения воды:
1 - подача исходной воды; 2 - водород-натрий-катионитовый фильтр; 3 - дегазатор; 4 -
резервуар умягченной воды; 5 - буферный Na-катионитоаый фильтр; 6 - отвод умягченной воды; 7 - бак
для взрыхления; 8 - резервуар промывной воды после взрыхления; 9 - насос; 10 - вентилятор
- исходная вода, умягченная вода
. трубопровод подачн воды на взрыхление
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-. - трубопровод отвода воды после взрыхления
Рис. ISJ4. Катнонитный фильтр:
1 - цилиндрический корпус; 2 - бетонная
подушка; 3 - воронка для подвода
умягчаемой и отвода промывочной воды; 4 -
устройство для распределения регенерацион-
ного раствора; 5 - дренажное устройство;
6 - воздухоотводная трубка; 7 - слой катио-
нита; 8 и 9 - манометры; 10 и 11 - люки;
12 - штуцер для гидроперефузкн катионн-
та; 13 - подвод регенерационного раствора;
14 - подвод умягчаемой воды; 15 - отвод
умягченной воды; 16 - пробоотборник
Натрий - катионитовый способ умягчения воды может осуществляться по
одноступенчатой или двухступенчатой схеме.
При расчете катионитного фильтра, конструкция которого представлена на
рис. 15.34, определяют рабочую емкость и объем катионита, площадь и число фильтров.
Необходимые для расчета технологические параметры приведены в таблице 15.33
Рабочую обменную емкость катионита, г-экв/мЗ, находят по формуле:
■Ка-Е^-0,5-д^-Ж„
A5.75)
где ttfja - коэффициент эффективности регенерации Na-катионита, учитывающий
неполноту его регенерации; р^а ~ коэффициент, учитывающий снижение обменной
емкости катионита по Са^* и Mg2+ вследствие частичного задержания катионов Na*;
342

Е„а„ - полная обменная емкость кэтнонита, г-экв/м^; q^^ - удельный расход воды на
отмывку катеонита, м'/м'; Жд^сх - общая жесткость исходной воды, г-экв/м'.
Коэффициенты а^а н (J^a принимают по таблицам 15.31 и 15.32 в завнсимости от
удельного расхода поваренной соли на регенерацию катионита, а^, г на г-экв £^''роб и
соотношения концентрации натрия С/^д, г-экв/м^, и общей жесткости Жд^сх. г-экв/м^, в
исходной воде;
Таблица 15.31
Ос
UN.
100
0,62
150
0,74
200
0,81
250
0,86
300
0,9
Таблица 15.32
С„,1Ж,^,
3n.
0,01
0,93
0,05
0,88
0,1
0,83
0,5
0.7
1
0,65
5
0,54
10
0,5
Необходимый объем катионита, м^, с учетом E'^''pag рассчитывают по следующей
формуле:
ty * о.исх
%Е%
A5.76)
где Пр - число регенерацией каждого фильтра в сутки, принимаемое в пределах от
одной до трех; qy - расход умягченной воды, м'/ч.
Площадь фильтров, м^, определяют из соотношения:
F =
El.
A5.77)
где Н^- высота слоя катионита, м.
Полученную суммарную площадь фильтров проверяют на скорость
фильтрования, м/ч:
V = —<\^
A5.78)
где Qcym ~ полезная производительность установки, м^/сут; Vp - рекомендуемая сюрость
фильтрования, м/ч (см. табл. 15.33)
В случае невыполнения вышеуказанного условия, следует увеличить величину Я^.
По расчетной величине F подбирают типоразмер серийно выпускаемых напорных
фильтров по табл. 15.34. Количество рабочих фильтров I ступени принимают не менее
2, резервных - 1.
Расчет баков с водой для взрыхления слоя катионита заключается в определении их
габаритов и диаметров трубопроводов обвязки с учетом возможности
последовательного взрыхления катионнтовой загрузки в двух фильтрах. Объем бака, м', составляет:
343

fF„.,=0,12-co-/-/,
A5.79)
где CD - интенсивность взрыхления, л/с-м^;/- площадь одного фильтра, м^; t„ -
продолжительность взрыхления, мин.
Высота расположения дна бака над кромкой сборной воронки фильтра должна
быть не мене 4-7 м. Скорость движения воды в подающих и отводящих воду на
взрыхление трубопроводах составляет 1,5-2,0 м/с.
Выбор и расчет сооружений и устройств для хранения, приготовления и подачи
регенерирующего раствора, в качестве которого для Na-катионитовых фильтров следует
предусматривать раствор технической поваренной соли, определяется
производительностью водоумягчительной установки.
При производительности установок до 10 м^/ч с расходом соли на регенерацию
менее 0,5 т/сут рекомендуется хранение соли в сухом виде в неотапливаемых складах
навалом высотой не более 2 м, ее растворение в проточных солерастворителях и
доведение до требуемой концентрации раствора в рабочих баках.
Таблица 15.33
Технологические характеристики Na-катионитовых фильтров
Показатель
1
Высота слоя катионита (по заводским данным), м
Крупность зерен катионита, мм
Полная обменная емкость по заводским данным,
г-экв/м'', либо при их отсутствии при загрузке фильтра:
сульфоуглем крупностью 0,5-1,1 мм
катионитом КУ-2 0,8-1,2 мм
Рабочая обменная емкость, г-экв/м^
Скорость фильтрования воды, м/ч, при нормальном
режиме при общей жесткости воды, г-экв/м':
до 5
5-10
10-15
Потери напора в слое катионита высотой 2,0B,5) м, при
скорости фильтрования, м/ч:
5
10
15
20
25
Взрыхление катионита:
интенсивность подачи воды, л/с-м^, при
крупности зерен катионита, мм:
0,5-1,1
0,8-1,2
продолжительность промывки, мин
Регенерация катионита:
удельный расход соли, г/г-экв, задержанных
катионов жесткости:
Фильтр
1 ступени
2
2,0-2,5
0,5-1,2
500
1500-1700
по расчету
не более 25
15
10
4,0D,5)
5,0E,5)
5,5F,0)
6.0F,5)
7.0G,5)
4
5
20-30
Фильтр
II ступени
3
1.5
0.5-1,2
500
-
250-300
не более 40
13-15
4
5
20-30
344

Продолжение табл. 15.33
Показатель
1
при одноступенчатой схеме
при двухступенчатой схеме
концентрация регенерационного
(рабочего) раствора, %
скорость фильтрования регенерационного
раствора, м/ч
продолжительность обработки, мин
Отмывка катионита:
скорость пропуска отмывочной воды
через катионит, м/ч
удельный расход отмывочной воды, м '/м',
катионита при загрузке фильтра:
сульфоуглем
катионнтом КУ-2
продолжительность отмывки, мин
Фильтр
I ступени
2
150-200
120-150
5-8
6-8
25-40
6-8
5
6
30-60
Фильтр
II ступени
3
-
300-400
8-12
6-8
25-40
6-8
6
8
30-60
Таблица 15.34
Технические характеристики напорных катиоиитовых фильтров
Название
фильтра
Na-катионитовый
I ступени
Na -катионитовый
II ступени
Н-катионитовый
1 ступени
Н -катионитовый
II ступени
Ионообменный
Na -катионитовый
I ступени
Ионообменный
Na -катионитовый
II ступени
Ионообменный
Н -катионитовый
I ступени
Ионообменный
Н -катионитовый
П ступени
Шифр
-
-
-
-
ФИПа 1-1,0-6
ФИПа 1-1,4-6
ФИПа 11-1,0-6
ФИПа 11-1,4-6
ФИПа 1-1,0-6
ФИПа 1-1,4-6
ФИПа 11-1,0-6
ФИПа 11-1,4-6
Завод

изготовитель
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ
БиКЗ

Диаметр,
мм
1000
1500
1000
1500
1000
1500
1000
1500
1000
1400
1000
1400
1000
1400
1000
1400

Строительная
высота,
мм
3688
3980
2978
3373
3598
3928
2923
3314
3753
4016
3040
3410
3660
3962
2988
3352
Масса
фильтра
без за-
фузки, кг
1012
1660
926
1614
1039
1692
957
1678
1068
1771
984
1666
1069
1760
966
1720

Нагрузочная
масса,
кг
5,0
10,0
3,5
7,5
5,0
10,0
3.5
7,5
5.9
6.8
4,7
5,6
5.8
6,8
4.6
5,7
Примечание: БиКЗ - Бийский котельный завд; ТКЗ - Таганрогский котельный завод
345

При производительности у мягчительных установок более 10 м'/ч и больших
расходах соли целесообразно применять «мокрое» хранение соли с последующим
осветлением концентрированного раствора, его разбавлением и подачей на катионитовые
фильтры.
Расход поваренной соли, кг, на одну регенерацию Ыа-катионтх)вого фильтра
определяют по формуле:
Р =
fii,-E^
Na
раб с
1000
A5.80)
где/- площадь одного фильтра, м^; а^ - удельный расход соли на 1 г-экв рабочей
обменной емкости катионита.
По величине Р^ подбирают тип и число серийно изготавливаемых солерастворите-
лей (табл. 15.35), при этом количество воды, необходимое для растворения 1 кг
технической поваренной соли принимают равным 10 л, а преяеяьно допустимую скорость
фильтрования раствора соли через гравийные слои солерастворителя - 6 м/ч.
Таблица 15.35
Параметры типовых солерастворителей
Диаметр,
мм
478
670
1030
Полезная
емкость
по соли,
кг
100
240
550
Полная
высота,
мм
1725
1550
1880
Высота
корпуса, мм
1185
1025
1205
Вес
металла,
кг
370
420
840

Нагрузочный вес, т
0,7
1.0
2,0
Рабочее
давление,
кгс/см^
8
6
6
Технологические схемы солевого хозяйства могут быть выполнены с применением
насосов для подачи регенерационного раствора соли на фильтр (рис. 15.35), либо с
устройством мерных сосудов и подачей раствора соли эжекторами на фильтр (рис. 15.36).
Вода
Рис. IS.3S. Схема мокрого хранения соли с подачей раствора центробежными насосами:
1 - баки-хранилища; 2 - насосы; 3 - осветлительный фильтр раствора; 4 - смеситель
346

Вода от
водопровода
Рис. 1SJ6. Схема мокрого хранения солн с подачей раствора водяными эжекторами:
1 - бак-хранилище; 2 - регулятор уровня; 3 - эжекторы; 4 - расходные баки насыщенного
раствора соли; 5 - подача воды, смешанной с реагентом; 6 - подача раствора реагнта в расходные бакн
Объем баков, м^, для мокрого хранения соли рассчитывают по формуле:
сут о.исх с
A5.81)
10000р„С„
где т - срок хранения запаса соли (обычно 20-40 суток); р„ - плотность раствора
соли, г/см^; С„ - концентрация насыщенного раствора соли (обычно 20-25%).
Необходимый объем баков, м', для разбавленного раствора соли составляет:
ЦТ _ с р ф
A5.82)
где Р^ - расход поваренной соли на одну регенерацию, кг; Пр - число регенераций
каждого фильтра в сутки; Пф - число фильтров, шт.; С^ и рр - концентрация, %, и плотность
разбавленного раствора соли, г/см^.
Количество и габариты баков-хранилищ и баков для рабочего раствора соли
находят соответственно по величинам W^, исходя из расчета 4-5 м^ на хранение 1 т соли, и
W2 ИЗ условия бесперебойной одновременной регенерации принятого числа фильтров.
Фильтры для осветления насыщенного раствора соли следует рассчитывать по
скорости фильтрования на пропуск расхода, м^/ч:
Я =
A5.83)
где V - скорость фильтрования регенерационного раствора соли через -катионитовый
фильтр (см. табл. 15.33), м/ч; / - площадь катионитового фильтра, м^; С„ и
Ср - концентрации насыщенного н разбавленного раствора соли соответствен-но, %.
Для подачи рабочего раствора на фильтры подбирают насосы с
производительностью, рассчитанной по формуле A5.83) и требуемым напором.
Водоро-натрий-катионитовый способ умягчения воды может осуществляться по
схемам параллельного, последовательного и совместного катионирования.
347

Расчет Н- и Na-катионитовых фильтров следует производить, используя данные
таблиц 15.33 и 15.36.
Таблица 15.36
Технологические хара1сгеристики Н-катионитовых фильтров
Показатель
Высота слоя катионита, м
Полная обменная емкость по заводским данным, г-экв/м',
либо при их отсутствии при загрузке фильтре:
сульфоуглем @,5-1,1 мм)
катионитом КУ-2 @,8-1,2 мм)
Рабочая обменная емкость, г-экв/м'.
Скорость фильтрования воды, м/ч, при нормальном
режиме при общей жесткости воды, г-экв/м':
до 5
5-10
10-15
Потери напора в слое катионита, м
Взрыхление катионита:
интенсивность подачи воды, л/с-м^
продолжительность промывки, мни
Регенерация катионита:
Удельный расход серной кислоты, г-г/экв
концентрация регенерационного раствора, %,
при загрузке:
сульфоуглем
катионитом КУ-2
скорость фильтрования регенерационного раствора, м/ч
продолжительность обработки, мин
Отмывка катионита:
скорость пропуска отмывочной воды через катионит, м/ч
удельный расход отмывочной воды, м /м , катионита при
зафузке фильтра:
сульфоуглем
катионитом КУ-2
Н-катионирование
обычное
2,5
противоточ-
ное
3,3
по табл. 15.33
по табл. 15.33
по расчету
20
15
10
20
15
10
по табл. 15.33
по табл. 15.33
по табл. 15.33
по рис.
15.37
1-1,5
1-1,5
нарастающей
концентрацией 1 ^ 3 ^ 6
не менее 10
25-40
25-40
не менее 10
5
6,5
-
Примечание: 1. Отмывка катионита заканчивается при кислотности фильтрата, равной
сумме хлоридов и сульфатов в воде, поступающей на отмывку.
2. Первую половину отмывочной воды следует направлять на нейтрализацию, вторую
половину - в баки для взрыхления катионита.
3. Для отмывки обычных Н-катионитовых фильтров используется осветленная вода, проти-
воточных фильтров - Н-катионированная вода.
348

При параллельном H-Na-катионировании расход воды, м'/ч, подаваемой на Н-кэти-
онитовые фильтры будет равен:
Щ -Щ
а" =а "" ^", A5.84)
'l пол ЧПОЛ J ТТТ ' \^•'•" J
где q^ - полезная производительность H-Na-ионитовых фильтров, м'/ч; Щ,^ -
исходная щелочность воды, г-экв/м'; ЩyJ^ - требуемая щелочность умягченной воды, г-экв/м';
А - суммарное содержание в умягченной воде анионов сильных кислот, г-экв/м';
Рабочую обменную емкость Н-катионита, г-экв/м', находят по формуле:
E"^,^a„E^„-0,5q^C, ,
A5.85)
где а„ - коэффициент эффективности регенерации Н-катионита; Е,^ — паспортная
полная обменная емкость катионита в нейтральной среде, г-экв/м'; q^^ - удельный расход
воды на отмывку катионита после регенерации, м'/м' катионита; С^ - общее
содержание в воде катионов Са^*, Mg2+, Na^ и К*, г-экв/м^.
Величину коэффициента а„ принимают по таблице 15.37 в зависимости от удельного
расхода серной кислоты на регенерацию катионита а„, г-г/экв рабочей обменной емкости.
Таблица 15.37
««
а„
50
0,68
100
0,85
150
0,91
200
0,92
0J5
030
« 0.20
I
I 0.15
i 0.10
S 0,05
к 3 5Г
100 Уд. расход серной
КИСЛОТЫ.Г/Г'ЭКВ
Рис. 1SJ7. График для определения
общей жесткости воды, умягчеииой
водород-катиоиированием при
различном солесодержанин
исходной воды:
1 - 5 г-экв/м'; 2-7 г-экв/м^;
3-10 г-экв/м^; 4-15 г-экв/м^;
5-20г-экв/мЗ
По
марную
величинам q^ и Ер^^ определяют необходимый объем катионита, м', и сум-
площадь, м^, Н-катионитовых фильтров:
W =240"
н 'i па
A5.86)
349

A5.87)
где Жоу„ ~ общая жесткость умягченной воды, г-экв/м'; С^^ - концентрация в воде
натрия, г-экв/м'; Ир - число регенераций каждого фильтра в сутки, принимаемое в
пределах от одной до трех; Я^ - высота слоя катионита в фильтре, м.
Расход воды, м'/ч, подаваемой на Na-катионитовые фильтры будет равен:
Чпол Чп
A5.88)
где q„^ - полезная производительность H-Na-катионитовой установки, м'/ч; q^ -
полезная производительность Н-катионитовых фильтров, м'/ч.
По величинам q^° и Ер^°, определенным соответственно по формулам A5.88 и
15.75), рассчитывают объем катионита, м', в Na-катионитовых фильтрах и их
суммарную площадь, м^:
W =
"На
1Ц
пол ■^^ о.ум
F -^
"" ~ Я.
Na
A5.89)
A5.90)
где Пр - число регенераций каждого фильтра; Н^ - высота слоя катионита в Na-катиони-
товом фильтре, м.
По значениям F„ и F^^ по таблице 15.34 подбирают диаметр и количество Н- и
Na-катионитовых рабочих фильтров, которых при круглосуточной работе должно быть
не менее двух. Количество резервных Н-катионитовых фильтров принимают один - при
количестве рабочих до шести и два - при большем количестве. Установку резервных
Na-катионитовых фильтров не предусматривают, если есть возможность использовать в
качестве резервных Н-катионитовые фильтры.
Для осуществления регенерации Н- и Na-катионитовых фильтров предусматривают
устройство еоответственно кислотного и солевого хозяйства. Расчет солевого хозяйства
был приведен выше. j 2
В состав кислотного
хозяйства (рис. 15.38),
обеспечивающего месячный запас
реагента, входят: цистерны-
хранилища, мерники для
концентрированной серной
кислоты, вакуум-насосы и обо- '" '" '" '" '"
рудование для подачи
рабочего раствора на фильтры
(эжектор или насосы).
Расход серной кислоты,
кг, на одну регенерацию
Н-катионитового фильтра оп-
350
' ■ к вакуум насосу
Рис. I5J8. Схема кислотного хозяйства:
1 - отвод разбавленного регенерационного раствора кислоты;
2 - эжектор; 3 - подача воды; 4 - мерный бак; 5,7 -
стационарная и железнодорожная цистерна; 6 - промежуточный бачок

ределяют по формуле:
^*= 1000 ' (^'•^^)
Tjntf— площадь одного фильтра, м^; а„ — удельный расход кислоты для регенерации ка-
тионита, г/г-экв.
Объем цистерн-хранилищ, м^, концентрированной серной кислоты рассчитывают
следующим образом:
^. = ;гр; . A5.92)
Ук^к
гае Жо„^ - общая жесткость исходной воды, г-экв/м^; т - срок хранения запаса
кислоты (обычно 30 суток), сут.; р^ - плотность кислоты, г/см^; Q - концентрация серной
кислоты, принимается равной 90-92%.
Полученное значение W^ округляется до величины, кратной емкости
железнодорожной цистерны, в которой осуществляется доставка реагента на станцию водоподго-
товки. Количество и размеры цистерн-хранилищ определяют из расчета
грузоподъемности ж/д цистерны, равной 50-60 т, что соответствует объему серной кислоты порядка
28-33 м^ при ее плотности ~ 1,8 г/см'.
Полезная емкость бака-мерника, м', составляет:
где t - продолжительность фильтроцикла, ч; Пф - число рабочих фильтров, шт.;
E„J* - паспортная полная обменная емкость катионита в нейтральной среде, г-экв/м'.
Объем баков для регенерационного раствора серной кислоты, если по схеме
предусмотрено ее разбавление, определяют по формуле:
где Pi^ - расход 100%-ной H2SO4 на одну регенерацию, кг; Рр и Ср - плотность, г/м', и
концентрация, %, рабочего регенерационного раствора серной кислоты.
Если по расчету количество H-Na-катионитовых фильтров не более четырех, то
объем бака Wp рекомендуется определять из условия регенерации одного фильтра, если
более 4 - то двух фильтров.
В случае принятой подачи кислоты на фильтр насосом (рис. 15.39),
производительность последнего можно определять по формуле 15.83, при этом v следует принимать
10-12 и/ч; С„ в зависимости от вида и сорта серной кислоты ~ 75-92 %; Ср = 1-1,5 %.
351

Суммарный расход воды, м^/сут, подаваемой на катионитовые установки, составляет:
Q = Q„+Q...,
A5.95)
где Q„ - полезная производительность водоумягчительной установки, м^/сут;
Qc.M. ~ расход воды на собственные нужды установки, м^/сут.:
a.«=ei+a+a.
A5.96)
где Q\, Qi, Qi - соответственно расход воды на взрыхление катионита, приготовление
регенерационных растворов и отмывку катионитовой загрузки, м^/сут.
В большинстве случаев для обслуживания установок используется осветленная не
умягченная вода, за исключением установок с двухступенчатым катионированием, в
которых отмывка фильтров II ступени производится умягченной водой после фильтров
I ступени. В связи с этим, расчет последних осуществляется на производительность,
равную A,5-2,0) ^„.
Если по технологии предусмотрено повторное использование отмывочной воды
для взрыхления фильтров и приготовления регенерационного раствора, то расход воды
на собственные нужды сокращается на Q\ и ^2 i'^^- 15.96).
Освет.'1енная
вода
Отвод умягчсниоП
В4ДДЫ
Сброс регенерационных
растворов
"У
41
Осветленная
вода
Отвод умя1*ченноГ1
вооы
fe.
(LID
V
Рис. 15.39. Схема подачи концентрированной кислоты к Н-катиоинтовым
фильтрам насосом:
а - «3 мерника; б - непосредственно из цистерны; 1 - цистерна для хранения кислоты; 2 -
мерник; 3 - насос; 4 - Н-катионитовый фильтр; 5 - расходомер; 6 - линия к вакуум-насосу
Расчет расхода на собственные нужды (на примере H-Na-катионитовой
водоумягчительной установки) производится следующим образом:
352

а) расход воды, м^/сут, на взрыхление катионита равен:
а=0,06-а)-/„-«^-Ка-У;+"«-/2) ' A5.97)
где со - интенсивность взрыхления, л/см^; /g, - продолжительность взрыхления, мин.;
«р - число регенераций в сутки; ид^^, п^ - соответственно число Na- и Н-катионитовых
фильтров;/!, fi - площадь Na- и Н-катионитовых фильтров, м^;
б) расход воды, м^/сут, на приготовление регенерационного раствора поваренной
соли Q2 и серной кислоты Q2 равен;
- при «мокром» хранении соли:
Q ^ р NaM k раб с ^ р Na с
рГр рГр
- при «сухом» хранении соли и растворении в солерастворителе:
e2=e2,l+e2,2="p-«^a@.001-P,.5-b0,06/,-(O-rJ, A5.99)
где 22,1 ~ расход воды на растворение соли, м^/сут; Q2^ - расход воды на промывку со-
лерастворителя, м^/сут; Р^ - расход воды на одну регенерацию Na- катионитового
фильтра, кг; Ср и Рр - концентрация, %, и плотность, т/м^ (г/см'), рабочего раствора соли;
S- количество воды, л, на растворение I кг технической соли A0 л/кг); у^ - площадь со-
лерастворителя, м^; со,, и /^ - интенсивность (обычно 5 л/см^) и продолжительность
(обычно 5 мин) промывки солерастворителя.
Q, р HJ2 к раб н ^ р_И_к_ A5.100)
^' Ю'С'р' Ю'С'р'
рГр рГр
где Р^ - расход 100%-ой серной кислоты на одну регенерацию Н-катионитового
фильтра, кг; Ср', Рр' - концентрация, %, и плотность, т/м' (г/см^), регенерационного раствора
серной кислоты.
в) расход воды, м^сут, на отмывку катионитовой загрузки равен:
Ql=4yd-npiriNa-f\-ti\k+>^H-f2-H2k) , A5.101)
где qy^ - удельный расход отмывочной воды, mVm' катионита; Н\у., Hiy, - высота
загрузки, м, в Na и Н-катионитовых фильтрах соответственно.
При H-Na-катионитовом умягчении воды для удаления образующейся в процессе
водообработки свободной углекислоты рекомендуется устройство пленочных дозаторов
с кислотоупорной или деревянной хордовой насадками, работающих в условиях
противотока воды и воздуха, нагнетаемого вентилятором.
12 - 9858 353

При расчете дегазатора, используя данные таблицы 15.38, определяют площадь
поперечного сечения и диаметр дегазатора, площадь поверхности насадки, необходимые
расход воздуха и напор, развиваемый вентилятором.
Таблица 15.38
Технологические параметры для расчета пленочного дегазатора
Показатель
Размер насадки, мм
Кислотоупорная
керамическая
насадка
кольца Рашига
25x25x3
Деревянная
хордовая
насадка
бруски
50x13x80x13x120x13
Высота слоя насадки, м, в зависимости от
(СО,)^,,г/м^:
50
100
150
200
250
300
Плотность орошения, м'/ч, на 1 м^ площади
дегазатора
Подача воздуха вентилятором, м', на 1 м' воды
Потери напора, мм вод. ст., на 1 м высоты слоя
насадки
прочие
3,0
4,0
4,7
5,1
5,5
5,7
60
15
30
30-40
4,0
5,2
6,0
6,5
6,8
7,0
40
15
10
30-40
Содержание свободной углекислоты, г/м^, в подаваемой на сооружение воде
составляет:
(СО,)„=(СО,и+44.Щ„, A5.102)
где (С02)„ач» Що ~ соответственно содержание свободной углекислоты, г/м^, в исходной
воде и ее щелочность, мг-экв/л (г-экв/м^).
(С02)„ач находят по формуле:
(C02U=C_-a-p,
A5.103)
где С„а„ - содержание свободной углекислоты, г/м^, по номограмме (рис. 15.40),
составленной для плотного растворенного остатка исходной воды 20 мг/л и ее температуры
22 °С; а, р - поправки на температуру (табл. 15.39) и плотный растворенный остаток
(табл. 15.39) соответственно.
Таблица 15.39
354
Температура, °С
а
0
1,65
5
1,44
10
1,29
15
1,16
20
1,06
25
1,00
30
0,95

Плотный растворенный
остаток, мг/л
Р
20
1,00
50
0,97
100
0,94
200
0,90
300
0,88
400
0,86
500
0,84
О т
10-j
20-:
30-:
40-|
50-:
60-
70-:
80-1
90-1
10(>
i-6
=-5
,4 g
i-2 8
Рис. 15.40. Номограмма для
определения содержания
в воде свободной углекислоты
Площадь поперечного сечения дегазатора определяется в зависимости от расчетного
расхода воды, подаваемой на сооружение, и оптимальной плотности орошения насадки.
Площадь поверхности насадки, м^, при которой обеспечивается заданный эффект
удаления свободной углекислоты, рассчитывают следующим образом:
G q{CO,^-CO,^)
A5.104)
F..=
к^^с^
\mк^^c,^
где С02в;р СОзвых - содержание свободной углекислоты в воде на входе и на выходе
(обычно 3-10 г/мЗ) из дегазатора, г/м^; q - производительность дегазатора, м^/ч; /(^ -
коэффициент десорбции, м/ч; AQ^ - средняя движущая сила десорбции, кг/м^.
Cw, мг/л
500
400
Рис. 15.41. Графики для нахозкдения ЬС^р
в зависимости от СО^ и С^^^е
300
200
100
"| г J
 7 ' 2
"l ^2 J
1 / J г
1 J L 2
1 ^'»/v»j i
"ijfcfiiy J
J('^A^\ x^' г
^ij ^® ^sVlI
tj ■/ * *^
, * r "ж
г 2 S
2 i L
J J Z
t 2
L 2 2
J 1 л
^a J
f f .'
22 '
A л 2
J S 2
L 2
0.015 0.025 0Л5 0.075 0.10 0.И5
Д Ccp. kt/h'
355

о
■ч-
о
Q.
О
&
I
I
о
00
о
о
р-
о
00
о
л ч
о.
оо'
о
g
р-
00*
g
о
g
о
§;
§
X
о
а
а.
>х
а ■
S"
X
1
о
оо"
о.
о"
•*
5
ii !
S
00
р-
о
о
и
II
о
Z
а
i
I
S
1
§■
о
о
1 ^
356

о
Q.
g-
С
i
z
о
о
§
z
X
с?
о
^
S
S
§
а
IS
3-
Z 5
9 I
X §
s
О. S
g
^-ъ
S
2;
о
о
X
IS
Z ",
:со
357

Для удобства расчета дегазаторов для двух типов насадок составлены
таблицы 10.17-10.18 и графики для определения значений AQp (рис. 15.41) и К^ (рис. 15.42).
а)
50
40
10
плотность орошения
-
*/
■Жш
^С
1j
г
i'-
)
(
J
Г
^
р7
ь
f
f
i
f\
^
s
1
/
^
i
f
\
■.s
Vj
■ij
>
\
4C
J
f
M
f
/ti*
A
6)
плотность орошения 60 м /м 'ч'
'
£_
J
i
2
2
J'
7
i
f
T
T
in J
'° tin: I __ -
j_:::: :_: _
0
1,0
2,0
3,0
''.Окж,м/ч 0-2 03 0,4 0,5 0.6 0,7 0.8 Кж,м/ч
Рнс. 15.42. Графики для нахождения
К^ в зависимостн от температуры
для дегазаторов, применяемых в
технологических схемах H-Na-умяг-
чения и обессоливания (а, б) и обез-
железивання воды (в):
1 - кольца Рашига 25x25x3; 2 - гравий
крупностью 42 мм; 3- кокс
крупностью 43 мм;
4 - кокс крупностью 41 мм
в) плотность
и 20
о *
3
S
S
3.
3. 10
S
fS
0
орошения до
X
4
90
м/м 'ч
т
■2
0,15
0.20
0,25
030
Кж.м/4
По величине F„ определяют требуемое количество щитов из деревянных досок или
объем насадок из колец Рашига, учитывая при этом, что площадь поверхности самого
аппарата составляет 7,5%F„.
Подбор вентилятора производят по удельному расходу воздуха 15 mVm^ и
заданному расходу воды, а развиваемый им напор должен быть не менее суммы потерь напора
в насадке и других элементах дегазатора.
358

Расчет резервуара для приема умягченной воды включает определение его
регулирующего объема по совмещенному графику водопотребления и водоподачи, объемов
воды на случай аварии, а также на собственные нужды станции умягчения.
15.5. Обессоливание и опреснение воды
Под обессоливанием воды понимают процесс снижения содержания растворенных
в ней солей до требуемой величины прокаленного растворенного остатка.
Различают частичное и полное обессоливание. Частным случаем обессоливаиия
воды является опреснение, в результате которого величина солесодержания в
очищенной воде не превышает 1000 мг/л.
Полное обессоливание обеспечивает получение в процессе обработки воды,
близкой по качеству к дистиллированной, используемой в большинстве случаев для питания
барабанных и прямоточных паровых котлов ТЭЦ и ГРЭС.
К наиболее распространенным методам обессоливаиия воды относятся: ионный
обмен, электродиализ, обратный осмос и дистилляция. Выбор метода обессоливаиия
определяется производительностью установки, 1а1чеством исходной н очищенной воды
и осуществляется на базе техннко-экономнческого сравнения вариантов.
Ориентировочно, при общем солесодержании воды до 1,5-2 г/л, рекомендуется применять
ионообменный метод, 1,5-15 г/л - электродиализ илн обратный осмос, более 10 г/л - дистилляцию
н до 40 г/л - обратный осмос.
Ионообменный метод обессоливаиия воды основан на способности ионитов
обменивать ноны Н+ н ОН", СОз^-, НСОз" соответственно на катионы (Са^*, Mg^* и Na^) и
анноны (804^", С1-, ЗЮз^) растворенных в воде солей, н реализуется путем
последовательного пропуска обрабатываемой воды через Н-катионитовые фильтры:
2Н [к]-1-Са (НСОз) i'^ Са [kJz+COz Т +Н2О
2Н [к]-!-N3280, о 2Na [k]-i-H2S04
Н [к]+ NaCI о Na ^]-i- HCI
и ОН, СОз нлн НСОз " анионнтовые фильтры, в которых процесс обмена может бьггь
представлен следующими уравнениями реакций:
[а]0Н -I- HCI о [а]С1 -I- ЩО
2 [а]ОН + H2SO, о [а]2 SO4 -I-2Н2О
[а]2СО3 + H2SO4 о [a]2S0, +СО2 Т +Н2О
[а]НСОз + НС1 о [а]С1 + СО2 Т +Н^0
359

в зависимости от требований (табл. 15.42), предъявляемых к очищенной воде,
различают одно-, двух- и трехступенчатые схемы ионитового обессоливания воды. Кроме
фильтров, являющихся основным оборудованием ионитных установок, в состав
последних входят дегазаторы для удаления избыточной углекислоты, баки для взрыхления ка-
тионитовой и анионитовой загрузки, бак для сбора воды после дегазатора, насосное и
воздуходувное оборудование и реагентное хозяйство для обеспечения регенеращ1и ио-
нитовых фильтров. Вода, подаваемая на обессоливающие установки, должна быть
предварительно очищена от механических примесей и органических веществ. При окисляе-
мости воды более 7 мЮг/л в технологической схеме должно быть предусмотрено
устройство фильтра с активированным углем. Суммарное содержание в такой воде
сульфатов и хлоридов не должно превышать 5 мг-экв/л.
COi
Рис. 15.43. Схема
установки для обессоливания
воды:
1 - Н-катиоиитовые
фильтры; 2 - аннонитовые
фильтры; 3 - буферный Na-касгио-
ннтовый фильтр; 4 -
дегазатор; 5 - вентилятор;
6 - промежуточный бак;
7 - насос
OdCiJKHHai
обессоливаемая
юда
^
Обессоленная вода
-*
Обессолиааская вооа
Рис. 15.44. Схема установки для полного обессоливания воаы с дв]гхступенчатым
катиоинроваинем и анионированием:
1 - Н-катноннтовые фильтры; 2 - аниоиитовые фильтры первой ступени (со слабоосновным ани-
онитом); 3 - Н-катнонитовые фильтры второй ступени; 4 - аниоиитовые фильтры второй ступени
(с сильноосиовным анионитом); 5 -дегазатор; 6 - вентилятор; 7 - бак для сбора частично
обессоленной воды; 8 - насос
360

о
X
u
г
ю
о
2
•§
о
X
X
к
S
S
о
X
V
г
X
о.
S
21
S S
э
ю
о
g е-
о
§
3 «
X о
хек
1 3 5
S
5 -5
3 Я '^
к X
о
>g
.8
J
о
ю
о
ю
U
5 „
&
I
v8
v8
u
о
>2:
J
8
.8
.8
ё
о
ю
и «о
о
361

Расчет Н-катионитовых фильтров I и II ступени производится по данным табл.
15.43 аналогично, как и для водрумягчительных установок.
Таблица 15.43
Технологические параметры Н-катиоиитовых фильтров
Показатель
Высота слоя катионита, м
Н-катионитовый фильтр
1 ступени
2,5
II ступени
1,5
Полная обменная емкость по паспортным данным, г -
экв/м', либо при их отсутствии при зафузке фильтра:
сульфоуглем
катионитом КУ-2
Рабочая обменная емкость, г-экв/м''
Скорюсть фильтрования, м/ч
Взрыхление катионита:
интенсивность подачи воды, л/с-м^
продолжительность промывки, мин
Регенерация катионита:
удельный расход серной кислоты, г-г/экв
скорость фильтрования, м/ч
концентрация регенерационного раствора, %
при загрузке сульфоуглем
при загрузке катионитом КУ-2
Отмывка катионита:
удельный расход отмывочной воды, м /м
катионита
продолжительность отмывки, мни
продолжительность регенерации и отмывки, ч
500
1500-1700
по расчету
10-25
4-5
20-30
порнс. 15.37
не менее 10
1-1,5
до 50
8-10
20-30
100
не менее 10
1-1,5
1-3 3-6
5-6
30-60
10
2.5-3
Примечания: 1. Отмывку фильтров II ступени следует производить водой, прошедшей через
анионитовые фильтры I ступени.
2. Воду от отмывки катионитных фильтров II ступени следует использовать для
взрыхления Н-катионитовых фильтров 1 ступени и приготовления для них
регенерационного раствора.
Объем Н-катионита, м^, определяют по формуле:
^я; =
а-а
суп
п.-Е"^
A5.105)
где а - коэффициент для учета расхода воды на собственные нужды установки (обычно
1,05-1,35); Qi;y„ - полезный расход обессоленной воды, м^/сут; Q - общее содержание в
исходной воде катионов, г-экв/м^; Пр - число регенераций каждого фильтра в сутки;
Ерд^ рабочая обменная емкость Н-катионита, г-экв/м^ (находят по формуле 15.85).
Объем катионитовой загрузки, м^, и рабочую обменную емкость, г-экв/м^,
фильтров П ступени рассчитывают следующим образом:
362

^ип =
где
A5.106)
A5.107)
'-'раб ^н '-'/км ^'"^т yd^Na
Сдгд - содержание натрия в воде, поступающей на Н-катионитовые фильтры II ступени,
г-экв/м^; а„ - коэффициент эффективности регенерации Н-катионита, принимаемый по
таблице 10.12 для а„=100 г-г/экв.
По величинам fV„ и Я» определяют габариты и число устанавливаемых катионито-
вых фильтров.
При проектировании анионитовых фильтров I ступени, используя данные таблиц
15.44 и 15.45, определяют их суммарную площадь, объем и высоту слоя анионита,
количество и типоразмер серийно выпускаемых фильтров (см. табл. 15.46).
Таблица 15.44
Технологические параметры анионитовых фильтров
Показатель
Аиноннтовый фильтр
1 ступени
II ступени
Анноиит:
тип
крупность зерен, мм
Рабочая обменная емкость по паспортным данным, г-экв/м'',
либо прн их отсутствнн при загрузке фильтра:
АН-31,АВ-17
Кремнеемкость сильноосновного аннонита по паспортным да и-
ным, г-экв/м', либо прн их отсутствнн (для АВ-17) прн нстоще-
ннн анионита до "проскока" в фильтрат SiOj^', мг/л:
0,1
0,5
1,0
Скорость фильтрования, м/ч
Взрыхление аинонита:
нитеиснвиость подачн воды, л/с-м^
продолжительность, мни
Регенерация анионита:
удельный расход кальцинированной соды, г-г/экв,
поглощенных ионов
удельный расход 100%-го едкого натрия, кг/1м'' (г-г/экв)
аннонита
концентрация регенерационного раствора, %
скорость пропуска регенерационного раствора, м/ч
продолжительность регенерации, ч
количество регенераций каждого фильтра в сутки
Отмывка анионита:
удельный расход стмывочной воды, м^'/м"' аннонита
продолжительность отмывки, ч
Общая продолжительность регенеращш, ч
слабоосиов-
ной
0,3-2.0
600-700
4-30
3
15-20
100
4
4
1,5
1-2
10
3-3,25
4,5-5
сильноос-
новиой
0,3-2,0
420
530
560
15-25
3
15-20
-
120-140
F0-70)
4
4
1,5
1-2
8
2,5-3
Примечания: 1. Для приготовления регенерационных растаоров соды и едкого натрия и отмывки
анионитовых фильтров I ступени следует использовать водород-катионитовую воду.
2. Количество рабочих фильтров следует принимать не менее 3, резервных - 1.
363

Характеристика анионитов
Таблица 15.45
анионита
АН-31
АВ-17-8
АВ-17-8гЭ
ЭДЭ-ЮП
Амберлайт
1RA-400
1RA-410
Зеролит
FF-lp
М-1р

Активная
группа
=N=N
Н
-N+Rj
-N+Rj
=N=N
Н
-N+R,
-N+Rj
-N+R,
-N+R,
Насыпная масса
продукта, т/м'

товарного
0,72-0,75
0,74
0,74
0,6
0,71
0,75
0,62
0,71
набухшего
0,31
0,33
0,33
0,45
0,45
0.46
0,46
0,44
Размер
зерен, мм
0,4-2,0
0,35-1,25
0,4-1Д5
0,4-1,6
0,3-0,85
0,3-0,85
0,3-0,92
0,3-1,2
Полная
обменная
емкость,
г-экв/м' по
804^-
1500
1400
1200
1300
1300
1400
1400
Стоимость 1т,
руб, в ценах
1984 г.
3270
6600
14500
3100
6600
8000
Сильноосновные аниониты
Анионит
1
А 400
А 600
А 200
А 870
Тип
матрицы и
смолы
2
Полисти-
рольная
Тип1
Полисти-
рольная
Тип1
Полисти-
рольная
Тип и

Полиакриловая
Полная
обменная
емкость, г-
экв/м'
3
1300
1400
1300
1350

Влажность, %
4
48-54
43-48
45-51
57-62
Примечания
5
Прозрачный анионит гелевого типа с
высокой рабочей емкостью. Большая скорость
обмена, обеспечивающая высокую степень
обессоливания. Хорошее удаление кремния.
Аналог АВ-17-8.
Прозрачный анионит гелевого типа.
Хорошая механическая прочность. Применяется
для производства воды высшей степени
очистки. Хорошее удаление кремния. Аналог
АВ-17-8.
Прозрачный гелевый анионит. Хорошая
кинетика, рабочая емкость и механическая
прочность. Применяется для обессоливания,
обеспечивает хорошее удаление кремния в
режиме регенерации противотоком. Аналог
АВ-29-12П.
Бифункциональный (низко/высокоос новный)
гелевый анионит. Имеет высокую обменную
емкость и хорошую сопротивляемость к
органическим отравителям. Используется для
обессоливания воды.
Слабоосновные аниониты
А 100
А 845
Полисти-
рольная

Полиакриловая
1300
1600
53-60
56-62
Анионит макропористого типа с хорошей
осмотической прочностью, устойчив к
органическим отравлениям. Применяется для
обессоливания воды и сахарозы. Заменитель
АН-31.
Гелевый анионит с высокой рабочей
емкостью. Служит для обессоливания воды, сил ь-
но загрязненной органикой, органических
растворов (сахарных спиртов, желатина).
Заменитель АН-31.
364

Площадь фильтрования, м^, находят по формуле:
F^,= "'^^^ . A5.108)
где 5^^ - полезная производительность анионитовых фильтров, mVcjt; а - коэффициент
для учета расхода воды на собственные нужды последующих ступеней установки
A,02-1,2); Пр - число регенераций кааадого фильтра в сутки; Т- продолжительность
работы каждого фильтра между регенерациями, ч; v, - расчетная скорость фильтрования, м/ч;
Т = -^ -Гр, A5.109)
где Тр - общая продолжительность регенерации анионита, ч, включая его взрыхление,
обработку регенерационным раствором и отмывку.
Необходимый объем, м^, анионита, составляет:
О С
^^'=~rj-' 05.110)
где Q - суммарное содержание сульфатных, хлоридных и нитратных ионов в исходной
воде, г-экв/м^; Ер\ ~ рабочая обменная емкость анионита, г-экв/м^.
По величинам F^j и W^j рассчитывают высоту слоя анионита и количество
рабочих фильтров I ступени.
Для анионитовых фильтров II ступени величину рабочей обменной емкости,
г-экв/м^, определяют по формуле:
Е „=Е -Q,5qC , . A5.111)
рМ кр "'-'•1 SiOt
где Е - рабочая кремнеемкость анноннта, г-экв/м^; q - удельный расход воды, м^, на
отмывку 1мЗ анионитовой загрузки; Сзюз^' содержание 810з^- в исходной воде, г-экв/м^.
Объем анионитовой загрузки фильтров II ступени рассчитывают по формуле
15.110, подставляя вместо E^j- значение Е^/,, а вместо Сд - значение концентрации
кремниевой кислоты в исходной воде. Суммарную площадь фильтров II ступени и их
число определяют по И^^ц и Н^ц.
Фильтры смешанного действия (ФСД) (рис. 15.45) в составе трехступенчаггой
технологической схемы обессоливания проектируют согласно рекомендаций (табл. 15.47).
365

a
Я
s
ё
B
2
i
в;
s
X
и
a.
с
о
s
3
s
c;
о
и
и
OQ
1
s
•e-
s
s
1
a
a.
a
X
о
s
и
V
T
s
X
X
V
2
X
n
S
^
1
X
о
s
X
a
3*
V
S
s
a.
С
S
2
s
о
2
00
>.. f
&SS
я "^ я
и i H
^2
о
О S
i 5
S
§ 1
«.Kg
л
s
° ■s
в;
о
5
S
а
>g
pi
.л
s
. GQ
CO О
@ U
2 S
GQ
Я
ч 0) s
g. 3 Я
1 1 1
m
o"
.
-
ел
00
о"
g
CO
o'
n
с
S
e
Ю
\o^
rr
fN
m
00
o'
g
о
■ ^^
1
«s
с
S
e
Ю
*Я
rr
fN
m
00
o'
g
о
'-*
CO
s
X
\6
1
«s
с
s
e
ГЛ
.*
m
g
2;
I
1
о"
1
«s
с
S
e
m
.*
о
m
rr
^
g
.*
o"
1
1
«
С
s
e
Ю
^
fN
r~_^
00_
-t
1*
m*
g
55
fN
CO
1
«s
с
S
e
\o
-t
о
00_
g
m
-t
■*!
»n"
g
^
fN
o"
«
С
s
e
?
»n_
»n
"i.
о
»n
?
t~-*
g
о
m
1
1
«
С
s
e
Ч
t~-

о
g
.*
ctT
g
.*
r^
1
r«-r
«s
С
s
e
^ V S
II i
e Ih
00
00
fN
°4,
»n^
.*
rJ|
r~
fN
00
o"
g
о
•—*
CO
s
la
X
о'
o^
a
E
S
e
ON,
o'
'Ч
00_
»/^
.*
л
Г-.
rJ-
00
o*
g
о
•-*
o'
o.
1
«1
с
§
e
r~
.
"
00
ел
»n^
»n
00
.CT\
fN
Я,
g
2;
I
о
4
a
с
s
e
r~
Ov
"
00
»n.
»n
00
CT\
fN
Я.
g
2;
o"
1
1
я
p
s
e
f^
J1
fN
00,
"X
»n
m
fN
ел
•Ч-
ел"
g
о
(N
я
с
s
e
о
(N
-t
ел
»n^
о
ю
ел
■*!
»n"
g
^
fN
1
1
я
с
s
e
о
vO_
ю"
о.
tri.
»n
r~
t~-
m
„
r-"
g
о
m
1
ел"
1
я
с
s
e
2
е-
•A
e
m"
■л.
oo"
о
rr
m"
»n
о
»n
о
■<r
m"
g
О
(N
s
9
Я
E
S
e
Д я u
ill
о с 2Г
=^ - 2
fe " S
^ Tt 2
:^ л (fl
vO*
ел
.*
m*
tri
r~
r~
«o
'T.
»n"
g
^
fN
VO
9
Я
E
S
e
о
Ю
2;
Г-'
«о
.*
I
m*
о
Ю
o\
«o
r^"
g
о
r^
\o
9
о
ел"
я
E
S
e
00
oo"
ел
g
.*
m"
о
00
CT\
о
„
стГ
g
.*
ел
vO,
о'
1
я
E
S
e
V
■Я 3 S
3 =^ 3 ,,
£• я я S
r; о PO 1)
8 "
'
fN
"X
2;
m'
g
О
<N
1
>
^
1
О
-t
о
fs"
■*!,
»n"
g
^
<N
VO
o"
1
>.
^
'
О
trT
00
r~"
о
«Л
_
r~"
g
О
СП
vq
о"
1
1
>»
^
366

^
^
-t><txi-
-IXJ-
^
1
т
t
т
i
-txJ-
-«"*■
-txj-
-t><»-
Рис. I5.4S. Фильтр смешанного
действия:
1 - подача обрабатываемой воды;
2 - отвод обрабатываемой воды;
3 - подвод раствора щелочи;
4 - подвод раствора кислоты;
5 - подвод осветлёииой воды;
6 - подвод сжатого воздуха;
7 - дренаж; 8 - отвод воздуха
Для обслуживания Н-катионитовых и анионитовых фильтров обессоливающих
установок предусматривают устройство кислотного и щелочного (содового) хозяйства.
Элементы кислотного хозяйства рассчитывают согласно методике, рассмотренной
в разделе 15.4, при этом вместо значения Ж^м^ в формулах 15.92-15.93 необходимо
подставить значение С^ - суммарное содержание катионов в исходной воде.
Для анионитовых фильтров в составе одноступенчатой схемы обессоливания
рекомендуется использовать в качестве реагента кальцинированную соду, гидрокарбонат
натрия или гидроксид натрия, а для фильтров в составе двухступенчатой схемы
обессоливания возможно использование одного гидроксида натрия.
Таблица 15.47
Технологические параметры работы фильтров ФСД
Показатель
ФСД
Высота слоя, м
катионнта
анионнта
Скорость фильтрования, м/ч
Количество фильтров, шт, не менее
рабочих
резервных
Регенерация загрузки:
удельный расход 100%-ой серной кислоты, кг, на I м' катионнта
удельный расход 100%-го едкого натрия, кг, на I м' анионита
удельный объем воды, тыс.м', на 1м' смеси ионитов,
профильтрованной через загрузку, при достижении которого следует
предусматривать регенерацию ФСД
0,6
0,6
40-50
3
2
1
70
100
10-12
Примечания: 1. Подбор ионитов осуществляют таким образом, чтобы во влажном состоянии
насыпная масса анионита была меньше чем катионнта.
2. Отмывку катнонита следует сочетать с регенерацией анионита.
367

в состав щелочного хозяйства входят: бак для растворения твердого гидроксида
натрия или для приема раствора из контейнеров; цистерна для хранения запаса
концентрированного раствора гидроксида натрия; расходный бак раствора NaOH; мерник;
насосное оборудование (рис 15.46).
ixj
i г
31 i
у г
А
L6 12
3
X 10
13
Рис. 15.46. Схема щелочного хозяйства:
1 - бак для растворения твёрдого едкого натра н для приёма раствора едкого натра нз
контейнеров; 2 - воронка для слнва раствора едкого натра из контейнеров; 3 - подвод воды для
растворения едкого натра; 4 - насос; 5 - цистерна для хранения запаса концентрированного раствора
едкого натра; 6 - сифон для заполнения цистерны; 7 - расходный бак раствора едкого натра; 8 - ме1>-
ник; 9 - насос; 10 - насос-дозатор; 11 - трубопровод с водой, в котором образуется раствор
едкого натра; 12 - вакуум-насос; 13 - расходомер
Объем растворного бака и цистерны-хранилища, м^, концентрированного раствора
гидроксида натрия определяют по формуле:
W =
0,Q024qAa^m
A5.112)
где q - расход обессоливаемой воды с учетом расхода на собственные нужды
установки, м^/ч; А - суммарная концентрация анионов, задерживаемых анионитом, г-экв/м^;
а^ - удельный расход 100%-го NaOH на регенерацию анионита, г/г-экв; т - срок
хранения запаса раствора NaOH (для бака т принимают равным 1-2); Рщ - плотность
раствора NaOH, т/м^; С - концентрация раствора реагента, %.
Значения а^, ш, Рщ и С приведены в таблице 15.48.
Количество и размеры цистерн-хранилищ определяют из расчета
грузоподъемности ж/д цистерны, равной 50-60 т, что соответствует объему жидкого гидроксида натрия
порядка 34-40 м^ при его плотности 1,45 т/м^.
Полезная емкость бака-мерника, м^, составляет:
^6,=-
•At-a
A5.113)
где / - продолжительность работы фильтра между регенерациями, ч; Пф - число рабочих
анионитовых фильтров.
368

Таблица 15.48
Параметры расчета реагентного хозяйства
Реагент для регенерацнн
анноннтов/катноннтов
Едкнн натрнн (гндрокснд натрня)
NaOH
Кальцинированная сода ЫагСОз
Бикарбонат натрия КаНСОз
Серная кислота H2SO4
Соляная кислота HCI
а^ , г/г-экв
60-70
110-120
150-170
120-125
90-95
Ш ,сут
20-40
20-40
20-40
20-40
20-40
С,%
42
95
98
62-92,5
27-30
Рй. т/м'
1,45
0,95
0,95
1,55-1,83
1,14
В случае, когда регенерацию анионитовых фильтров производят содой или
бикарбонатом натрия, предусматривают устройство открытых растворных баков,
располагаемых на высоте, обеспечивающей самотечную подачу регенерационных растворов на
фильтры. Емкость баков рассчитывают на проведение одной или двух регенераций
анионитовых фильтров. Для приготовления рабочих растворов используют частично
обессоленную или умягченную подогретую воду.
Объем баков с водой для взрыхления катионитовой и анионитовой загрузок для
каясцого фильтра определяют по формуле 15.79.
Методика расчета сооружений для удаления свободной углекислоты более
подробно рассмотрена в разделе 15.4 (см. формулы 15.102-15.104).
Метод обратного осмоса относится к мембранным методам разделения жидких
систем и заключается в фильтровании под давлением растворов солей, находящихся в
молекулярно-растворенном состоянии, через полупроницаемые мембраны,
пропускающие растворитель и задерживающие (полностью или частично) молекулы (ионы)
растворенных веществ. В основе этого метода лежит явление осмоса - самопроизвольного
перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор.
Механизм и условия возникновения обратного осмоса показаны на рис. 15.47.
Р<п Р=п Р>л
"^ НгО
НЮ
>
'
i.Paci
вор
■^ ню
>
:.'Paei
■'■■'■ti'
'
гяар/.
~Z. НЮ
1
:: Раствор. •
Осмос Равновесие Обратный осмос
Рис. 15.47. Схемы возникновения обратного осмоса при осмотическом давлении п = pgH
Движущая сила процесса обратного осмоса определяется по формуле:
АР = Р-АР,=Р-(Р,,-Р,,) ,
A5.114)
где Р - избыточное давление над исходным раствором; Pq, и Pq2 - соответственно
осмотическое давление раствора и фильтрата, прошедшего через мембрану.
369

Осмотическое давление в общем случае находят по уравнению с введением
поправочных коэффициентов:
Pf,=RTci ^ A5.115)
где R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная темпералура раствора. К;
с - мольная доля растворенного вещества, / - коэффициент Вант-Гоффа.
Для сильных электролитов, полностью диссоциирующих на ионы, осмотическое
давление определяют через практический осмотический коэффициент,
характеризующий изменение активности растворителя:
Po=Rcv0 ^ A5.116)
где V - число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы; Ф -
практический осмотический коэффициент.
Коэффициент Ф выражает способность элеетролита связывать воду с учетом всех
его индивидуальных свойств и может быть найден по эмпирическим формулам для
различных случаев: бинарных и смешанных растворов электролитов и растворов
неэлектролитов.
Для обессоливания и опреснения природных вод применяют обратноосмотические
установки.
Вода, подаваемая на установки, должна хараетеризоваться следующими
показателями: мутность - менее 0,3 мг/л; общее содержание гуминовых веществ (по перманга-
натной окисляемое™) не более 10 мЮ2/л; железо (Fe^*) - не более 0,05 мг/л.
Для обеспечения требуемого качества воды и предотвращения снижения
производительности вследствие забивания пор мембран взвешенными частицами, коллоидами
и солями, выпавшими в осадок в процессе обессоливания, необходимо предусматривать
предварительную обработку природных вод.
Выбор технологической схемы предподготовки воды зависит от
производительности установки, источника водоснабжения, характеризующегося определенным составом
примесей и, частично, от типа применяемых мембранных модулей.
Возможные варианты предподготовки воды рассмотрены ниже:
1. Поверхностные воды:
хлорирование -» коагуляция -» осаждение -» фильтрование через зернистую
загрузку;
2. Вода повьшгенной жесткости:
известкование (известково-содовое) умягчение -> фильтрование через зернистую
загрузку;
3. Вода с низким содержанием солей жесткости:
фильтрование через песчаную загрузку -» фильтрование через цеолитовую загрузку.
В состав обратноосмотических установок, помимо мембранного аппарата, входят:
насос; оборудование для предварительной и последующей обработки воды; баки для
раствора и фильтрата; датчики и приборы автоматического управления и контроля;
механический фильтр; соединительная и регулирующая арматура; элементы крепления и т.д.
370

Технологические характеристики существующих мембранных аппаратов для
обратного осмоса, применяемых в водоподготовке, в частности, для обессоливания и
опреснения морских и солоноватых вод приведены в табл. 15.49.
Таблица 15.49
Типы аппаратов
(рис. 15.48)
Аппарат с плоскокамерными
фильтрующими элементами
(ПФЭ)
Аппарат с трубчатыми
фильтрующими элементами
(ТФЭ)
Аппарат с фильтрующими
элементами рулонного типа
(РФЭ)
Аппараты с плоскими волокнами
(ФЭВ)
Технологические характеристики
мембранных аппаратов
производительность,
м^/сут
до 12
5000-6000
2-10000
5-5000
удельная поверхность мембран
(плотность упаковки), м^/м^
60-300
60-200
300-800
20000-30000, наружный
диаметр волокон - 45-200 мкм
Основным элементом аппаратов для осуществления процесса обратного осмоса
являются полупроницаемые мембраны (пористые и непористые), для получения которых
используют различные материалы: полимерные пленки, стекло, металлическую фольгу
и др.
Полупроницаемые мембраны характеризуются разделяющей способностью
(селективностью), удельной производительностью (проницаемостью) и должны обладать
химической стойкостью к действию среды разделяемой системы, механической
прочностью и постоянством харакгеристик в процессе эксплуатации.
Селективность или коэффициент солесодержания, %, полупроницаемых мембран
определяется из выражения:
ф:
^^^—^100.
A5.117)
где Х| и Х2 - концентрация растворенного вещества в исходной воде и в фильтрате
соответственно, мг/л.
Селективность по отдельным видам мембран приведена в таблице 15.50.
Проницаемость, л/м^ч, при данном давлении составляет:
F. '
A5.118)
где V- объем фильтрата, л; F- рабочая поверхность мембран, м^; х - время
фильтрования, ч.
371

б) Раствор Фильтрат
Концентрат
вода
1 - пористые пластины; 2 - мембраны
1 - трубка (капилляр);
трубок; 3 - корпус
2 - гибкая связь
«;
Фильтрат Концентрат
г)
Концентра^
U
4 Исходный
раствор
1 - упорная крышка; 2 - уплотнительное
кольцо; 3 - торцевая пробка; 4 - камера
сбора фильтрата; 5 - осевой стержень;
6 - мембранный модуль; 7 ■ рамка;
8 - пробка-заглушка; 9 - корпус
сходный
раствор
♦в
1 - сборники фильтрата; 2 - фланцы;
3 - корпус; 4 - волокна; 5 - трубная
решетка
Рис. 15.48. Конструктивные схемы мембранных
осмотических установок:
а) с плоскокамерными фильтрующими элементами
(ПФЭ); б) с трубчатыми фильтрующими элементами
(ТФЭ); в) с рулонным фильтрующим элементом
(РФЭ); г) с полыми волокнами (ФЭВ)
Наибольшее распространение в промышленности получили обратноосмотические
мембраны на основе различных полимеров (см. табл. 15.50).
Расчет обратноосмотических аппаратов производится в три этапа и включает
технологический (определение скорости фильтрования и продолжительности фильтроцик-
ла, рабочей поверхности мембран), гидравлический (определение гидравлических
сопротивлений аппарата и арматуры) и механический (выбор элементов аппарата) расчеты.
372

Таблица 15.50
Рабочие характеристики полимерных мембран
Материал мембраны
1
Полиуретаны
Производные галактозы
Поливиииленкарбонат
Поливинилеикарбонат +5%
полиакриловой кислоты
Поливиниловый спирт
Блок-сополимеры ПЭТФ с окисью
этилена
Полиакрилаты
Поливиниллирролидон
Полиэтиленовая пленка с
прививками акриловой кислоты и стирола
То же, акриловой кислоты и винил-
толуола
Фосфорсодержащие полиамиды

Концентрация
раствора NaCl, %
2
4,0
1,0
3,5
3,5
1,0
1,0
1,0
1,0
0,25
0,25
3,5
Рабочее
давление Р,
МПа (кгс/см^)
3
10,3A05)
10.3A05)
10,3A05)
10.3A05)
3,4C5)
5.5 E6)
6,9 G0)
10,3A05)
13,8A40)
15,9A61)
3.5E6)
10,3A05)
3,52 E6)
10,3 A05)
2,66 B7)
2,66 B7)
7,35 G5)
Характеристика мембран
проницаемость
G ,л/(м^ч)
4
0,51
2,21
9,30
25,40
106.80
0.47
0,49
0,55
0,09
1.39
1.68
1,87
2,19
2,43
2,45
2,50
4.71
7,90
0.15
0,56
0,63
4.50
23.80
35,36
85,30
4,30
12.10
14.10
0,80
2,00
10,00
25,00
100.00

селективность ф. "/о
5
85,0
60.0
97,0
89.0
73,0
77,0
83,6
85,7
98,2
40,0
73,0
81,5
87,0
88,7
90,5
25,2
24.2
21,6
98,0
71,5
64,0
92.0
80.0
75,0
58,0
69.0
54,7
62,9
94,0
98,7
93,0
89,4
90,0
Сложные эфиры целлюлозы
ацетобутират целлюлозы
ацетометакрилат целлюлозы
адетопропиаяат целлюлозы
Полиакриловая кислота +2Ю^
Ароматический полиамид
Окись полипропилена
сульфированная
Полибензимидазол
Полипиперазинамиды
Полиакрилсульфоны
Поли- (N-амидо) имиды
Морская
вода
3,5
3,5
0,3
3,5
0,5
Морская
вода
0,5
0,3
0,5
1,5
2,5
3.5
0,5
3,5
10,0A02)
8,3 (85)
10,0A02)
10,0A02)
6,67 F8)
10,0A02)
4,0D1)
7,35 G5)
4,0D1)
10,8A10)
9,3 (95)
9,3 (95)
9,3 (95)
9.3 (95)
3.0C1)
3.0C1)
10,3A05)
19,20
8,00
12,00
19,20
240
25,6
8.0
44,8
26,5
0,84
0,81
0,67
0,60
0,50
25
41.7
47.5
99.4
99.8
99.7
99,5
90,0
99,5
99,9
98,0
95,0
95,8
94,8
93,0
92,0
90,0
95,0
85,0
99.95
373

Технологический расчет.
Удельную производительность, мЗ/(м2сут), мембран определяют из уравнения:
и = к,-Р,, A5.119)
где *o - коэффициент; Pq - осмотическое давление.
С учетом
^о=^ЯА-^-^^. A5.120)
где DH2O2 - диффузия; т - пористость мембран; Мчг^г ~ молекулярный вес воды;
5 - толщина слоя мембраны; р - плотность воды.
Скорость фильтрования воды через мембрану составит:
U = U^„+U„„=k,(P-hPJ + ^, A5.121)
oTio
где и^^ [/д, „ - скорость фильтрования соответственно через крупные и мелкие поры;
т) - коэффициент динамической вязкости; г - радиус пор.
Учитывая, что низкоселективные мембраны инертны и имеют коэффициенты
диффузии такие же как и в растворе, для ионов: SO42-, Ва^*, Са^*, Mg^*, Cd^*, Ztfi*, Ai?*:
^«ЗООм-1, A5.122)
для ионов Br, С1-, F, Na*, K+:
^«f5-7;.10^M-i. A5.123)
При обратноосмотическом разделении растворов имеют место зависимости между
концентрациями растворенных веществ в исходной воде, фильтрате и концентрате:
^ 1-^Д1-Д)
*" ° Д ' A5.124)
к =^, А = ^, A5.125)
' Со Яо
где Cq, Сф, Q - концентрации растворенных веществ соответственно в исходной воде,
фильтрате и концентрате, мг/л; к^ - степень концентрирования раствора; - величина
выхода фильтрата; дф, qo - расход исходной воды и фильтрата, м^/ч, соответственно.
374

Продолжительность фильтроцикла, ч, рассчитывается по формуле:
Т = ((?~(?^)п, A5.126)
где ф - начальная селективность мембраны; фп, - значение селективности в момент
времени, когда концентрация извлекаемого иона равна предельно допустимой по
требуемой степени очистки; и - коэффициент снижения селективности к этому моменту.
Рабочую фильтрующую поверхность мембран, м^, определяют из выражения:
S = Q/j , A5.127)
y = F'''-a-lgr , A5.128)
где J - водопроницаемость мембран; а - коэффициент снижения водопроницаемости;
Q - производительность установки; t - температура, °С.
При наличии в исходной воде ингредиентов, способных в процессе обратноосмо-
тической обработки воды образовывать на поверхности мембран плохо растворимые
соединения (сульфат и карбонат кальция, железо), необходимо корректировать
коэффициент снижения водопроницаемости.
Объемы баков и производительность насоса определяют исходя из требуемой
расчетной производительности обратноосмотической установки.
Гидравлический расчет аппарата для обратного осмоса.
1. Гидравлическое сопротивление канала аппарата при движении разделяемого
раствора рассчитывают либо по формуле 15.129, либо по 15.130:
а) при отсутствии в канале турбулизирующих вставок потери напора, кгс/см^:
^...=IAW^'' , A5.129)
rjifi W- скорость движения раствора в канале, м/с.
б) при наличии турбулизирующих вставок:
АР1=£-^-^'^^~^. A5.130)
где Е - коэффициент, харакгеризующий эффективность применяемого турбулизато-
ра, смЗ/(см2-с), принимаемый по табл. 15.51; ц - кинематический коэффициент вязкости
фильтрата, м^/с; Wj^ - скорость фильтрации через мембрану, см/с (для мембран с G до
500 л/(м2сут) fV„ = 0,58-10-3 см/с); е - доля фильтрата, выходящего из аппарата,
принимаемая равной 0,5-0,8.
2. Гидравлическое сопротивление мембраны потоку фильтрата определяют как
R = R.+R.
A5.131)
где R„ - сопротивление мембраны; R^ - сопротивление поляризационной концентрации.
375

Таблица 15.51
Параметры для расчета гидравлического сопротивления каналов с турбулизаторами
Тип турбулизатора
Капроновое сито№ 13 B 6 =0,015 см)
Капроновое сито № 8 B 6 =0,065 см)
Полиэтиленовая безузелковая сетка
(lb =0,125 см)
Канал без турбулизатора B Ь =0,028 см)
Канал без турбулизатора
Е, см^/(см^-с)
0,58-10"
1,88-10"
0,85-10"
0,0610"
4,710"
При очень малой поляризационной концентрации величину Л„ находят из
выражения:
" "—с^— ' ^'^'^^^
где АР„ - перепад давления на мембране, кгс/см^; G - проницаемость мембран,
л/(м2-сут); С - концентрация раствора, мг/л.
3. Гидравлическое сопротивление дренажа.
В качестве дренажа мембранных аппаратов используют металлические плиты с
каналами, пористые, тканые материалы и их комбинации.
Расчет гидравлического сопротивления дренажа производят по формуле:
^P,>=~WJ\ A5.133)
где к„2 - коэффициент проницаемости дренажа (см. табл. 15.52); / - длина дренажного
канала, м.
Суммарные потери напора, кгс/см^, в мембранном аппарате составляют:
ЕД^=Д^-+^«+Д^^ . A5.134)
Современный электродиализный метод обработки воды представляет собой
мембранный процесс, основанный на явлении переноса ионов электролита через
селективные ионообменные мембраны под действием постоянного электрического тока. В
настоящее время область применения электродиализного метода не ограничивается
опреснением соленых вод и обессоливанием пресных - возможно высокое (предельное)
концентрирование электролитов, удаление электролитов из органических растворов,
сепарация разных электролитов, получение реагентов (кислот и щелочей) из растворов
нейтральных солей с помощью биполярных мембран.
Наибольшее применение электродиализ получил для опреснения соленых вод. Его
преимущества перед другими методами очевидны: метод не требует фазового
превращения воды, необходимого в дистилляции, вымораживании или газгидратном методе;
действует при низких давлениях и температуре; характеризуется пропорциональностью
376

потребляемой энергии солености исходной воды. Последнее особенно справедливо в
случае использования электродиализа для опреснения солоноватых вод A,5-3 г/л солей)
и частичного обессоливания пресных вод @,6-1 г/л солей).
Таблица 15.52
Значение коэффициентов проницаемости различных дренажных материалов
Материал дренажа
1
Тканая проволочная сетка 0040
мембрана с одной стороны
мембрана с двух сторон
Тканая проволочная сетка 0071
мембрана с одной стороны
мембрана с двух сторон
Тканая проволочная сетка 0125
мембрана с одной стороны
мембрана с двух сторон
Тканая проволочная сетка 016
мембрана с одной стороны
мембрана с двух сторон
Две сетки 0040 с мембранами по
обе стороны
Сетки 0040 и 01, мембрана со
стороны 0040
Две сетки 0071 с мембранами по
обе стороны
Пористый полиэтилен, поры 30
мкм
Пористый винипласт
Бязь в три слоя
Ткань вискозная кордового
плетения
Стеклоткань и бязь
Давление иа поверхность мембран, МПа (кгс/см ^)
2,0 B0)
2
0,44
0,015
0,25
-
1,07
0,12
2,68
0,32
0,167
-
0,40
1,0
-
-
-
-
4,0 D0)
3
0,034
0,0058
0,198
0,022
0,84
0,06
2,10
-
0,108
-
0,25
0,37
-
-
-
0,0005
5,0E0)
4
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,54
-
-
0,032
0,00012
0,0004
-
6,0 F0)
5
0,022
-
0,124
-
0,55
0,045
1,54
0,06
0,073
-
0,18
-
-
-
-
-
8,0 (80)
6
0,0115
0,0017
0,086
-
0,040
0,038
1,08
0,05
0,07
-
-
-
-
-
-
-
Широкому промышленному использованию электродитизного метода мешает
ряд ограничений эксплуатационного характера. К этим ограничениям относятся:
«отравление» аниоиообменных мембран органическими веществами, содержащимися в
природных водах; «отравление» катионообменных мембран железом, марганцем,
присутствующими в природных водах; выпадение в осадок карбоната кальция, гидрата
окиси магния и (реже) гипса в результате работы электродиализного аппарата в условиях
поляризации; работа установки при предельных плотностях тока ниже оптимальных,
что приводит к повышению себестоимости деминерализации воды; высокие
капитальные затраты и эксплуатационные расходы на отдельные компоненты промышленных
электродиализных установок, включая заменяемые прокладки и мембраны.
Обработка воды производится в электродиализаторах - аппаратах,
представляющих собой систему рабочих ячеек (дилюатных и рассольных камер), каждая из которых
содержит мембраны противоположной полярности, разделенные лабиринтно-сетчаты-
мн перегородками-прокладками или корпусными рамками с закладкой либо
ввариваемой сеткой. Прокладки и корпусные рамки с сеткой выполняют двойную функцию: на-
377

прааляют течение жидкости между мембранами и создают турбулентность потока,
повышающую эффективность процесса.
Эта система находится между двух электродов, погруженных в электролит. Они
поддерживают постоянное напряжение. На электродах происходит электрохимическая
реакция, которая трансформирует электронный ток в ионный: ионы водорода Н*
восстанавливаются на катоде до молекулярного водорода Щ и выделяются в виде газа, а ионы
гидроксила ОН- и хлор-ионы С1- окисляются на аноде до хлора CI2 и кислорода О2 и
также вьщеляются в виде газов.
Для осуществления электродиализа требуется только электрический ток и
незначительное количество реагентов (кислоты, щелочи, фосфатов).
Перед электродиализными аппаратами необходима глубокая очистка воды от
органических веществ, соединений железа и других загрязнений. Очистка воды от
взвешенных веществ осуществляется известными методами (коагуляцией, отстаиванием,
фильтрованием, содо-известкованием и др.). Особенно эффективно применение перед
электродиализными установками ультрафильтрации и фильтрования воды через
специальные фильтровальные патроны.
На рис. 15.49 показана схема электродиализного аппарата. Камеры 1 и 2
образованы мембранами - анионообменными А и катионообменными К. Анионообменные
мембраны пропускают только анионы, катионообменные только катионы. Катионы
перемещаются по направлению электрического тока, поэтому они могут выйти из камер 2,
проходя через катионообменные мембраны, но не могут выйти из камер 1, так как
встречают анионообменные мембраны. Анионы перемещаются по направлению
противоположному направлению электрического тока; они тоже могут выйти из камер 2, проходя
через анионообменные мембраны, но не могут выйти из камер 1, так как
катионообменные мембраны преграждают им путь. Таким образом, камеры 2 получили название ди-
люатных, а камеры 1 обогащающиеся солями - рассольных.
рис. 15.49. Принцип устройства элект-
роднализной ячейки:
1 - рассольная камера; 2 - камера обессо-
лнвания; 3 - аннонообменная мембрана;
4 - катионообмеиная мембрана
На рис. 15.50-15.52 представлены различные технологические схемы
электродиализных установок.
В состав таких установок входят ионитовые мембраны, получаемые из
ионообменных смол (ионитов). В зависимости от технологии изготовления различают гомогенные,
гетерогенные и проточные мембраны.
Мембраны с селективной проницаемостью, используемые для элекгродиализа,
содержат ионогенные группы положительных ионов (анионообменные мембраны) или
378

ионогенные группы отрицательных ионов (катионообменные мембраны). В
электрическом поле в водном растворе анионообменная мембрана обеспечивает прохождение
только анионов, а катионообменная мембрана - только катионов.
Солонова-гая вода
Опресненная
потреоителю
Рнс. 15.50. Технологическая циркуляционная схема электродиализной устаиовкн:
Трубопроводы: I - исходной воды; II - дилюага; III - рассола; IV - промывного раствора; V - опресненной
воды; VI - кислоты; VII - сжатого воздуха. I - фильтр предварительиой обработки воды; 2 - мерник; 3 - бак
реагента (кислоты); 4 - компрессор; 5 - фильтр с АУ; 6 - элпггродиализатор; 7-9 - насосы; 10 - рассольный бак;
11 - питательный бак
От источника
ИСТО'
Содоиова! L
тая вода от А
источника I
^
Сборе в капа*
лиэаплю
VI
Рис. 15.51. Технологическая прямоточная схема электроцнализиой устаиовкн:
Трубопроводы: I - исходной воды; П - дилюага; Ш - рассола; IV - опресненной воды; V - кислоты; VI -
сжатого воздуха. 1 - фильтр предварительной обработки исходной воды; загруженный сульфоуглем в H-Na-фор-
ме - режим «голодной» регенерации; 2 - дозировочный насос; 3 - мерник; 4 - бак реагента (кислоты); 5 -
компрессор; 6 - фильтр с АУ и мраморной крошкой; 7 - бак и насос опресненной воды; 8 - насос дилюага;
9 - бак дилюатз; 10 - рассольный бак; 11 - насос рассола; 12 - Э1пе1сгродиализные аппараты
Мембраны должны обладать высокими селективностью, электропроводностью,
диффузионным сопротивлением, достаточной механической прочностью и стойкостью
по отношению к рабочей среде.
Ионообменные селективные мембраны выпускает небольшое число предприятий и
фирм России, Японии, США и других стран. Изготавливают мембраны трех типов:
гетерогенные, гомогенные, биполярные. Хч)а1сгеристики отдельных мембран, выпускаемых
отечественной промышленностью и зарубежными фирмами приведены в таблице 15.53.
379

Технологические характеристики иоиитовых мембран
Таблица 15.53
Мембраны
1. Катиоиитовые гетерогенные
МК-40 Щекинского
химкомбината (по ТУ 11-336-64)
Гомогенные:
Анкалит К-2
МК-100
РМК-100
2. Аниоиитовые
МА-40 Щекинского
химкомбината (по ТУ 11-366-64)
Гомогенные;
Анкалит А-4
МА-41
МА-100
фирмы Асахи Кемикал

Толщина, мм
0,7
0,6-0,7
0.3
0,3
0,7
0,6
0,6
0,3
0,1
Обменная
способность,
мг-экв/л
2,3
2
2,8
1,88
3
3,5
2,5
2,3
5
Удельное
поверхностное
сопротивление
в 0,1 и.
растворе NaCl
30
8-10
2,5-5
6,3
35
8-15
9-12
5-6
1
Число
переноса
в 0,1 и.
растворе
0,93
0,95
0,97
0,96
0,93
0,93
0,93
0,97
-
Примечания: 1. Мембранный потенциал для иоиитовых мембран равен около 0,05 в при
концентрациях растворов NaCl 0,1 н. с одной стороны мембраны и 0,01 и.
с другой.
2. Перенос воды составляет 0,01-0,3 мл/см^-ч при плотности тока 0,01 А/см^.
Солоноватая
вода от
Опреснепиая
вода к иотребиталю
►
V «•»«..-\q рассола в капалидащпо
Рис. 1S.S2. Технологическая циркуляционная схема электроднализной установки:
Трубороводы: I - исходной воды; II - димоата; III - рассола; IV - очищенной воды; V - кислоты;
VI - сжатого воздуха; 1 - префильтр с загрузкой из сульфругля в H-Na форме; 2 - насос-дозатор;
3 - мерник; 4 - бак кислоты; 5 - компрессор; 6 - фильтр с АУ и мраморной крошкой; 7 - бак и насос
с очищенной водой; 8 - насос дилюата; 9 - бак дилюта; 10 - бак рассола; 11 - насос рассола;
12 - электронные аппараты
Расчет элекгродиализных установок сводится к определению числа ступеней
опреснения и количества параллельно работающих аппаратов; площади мембран и их ко-
380

личества; напряжения и силы постоянного тока, подводимого к ваннам установки;
потерь напора в камерах опреснения, системах распределения и сбора внутри аппарата,
подающих и отводящих трубопроводах диализата и рассола.
Для расчета электродиализных установок необходимы следующие данные:
- назначение установки (опреснение соленых вод для хозяйственно-питьевых нужд,
для промышленных нужд, обводнения пастбищ, деминерализация пресных вод
перед обессоливанием и др.);
- полезная пропускная способность установки по пресной (частично обессоленной)
воде;
- характеристика водоисточника (дебит, возможность подачи воды на собственные
нужды установки - для промывки рассольных и приэлектродных камер, на
собственные нужды предварительной обработки воды; из технико-экоиомичес-
ких соображений расход воды на промывку рассольных камер должен быть
минимальным и соответствовать лишь необходимому количеству для
разбавления рассола и компенсации его непрерывной продувки);
- полный физико-химический и бактериологический анализ исходной воды (для
получения достоверной характеристики воды источника; отбор проб воды и их
анализ должны проводиться во все сезоны года в течение длительного времени в
соответствии с действующими стандартами).
Данные анализов воды должны включать в себя: удельную электрическую
проводимость, температуру воды, содержание взвешенных веществ, железа и марганца, окис-
ляемость, общую и карбонатную жесткость, содержание брома, бора и фтора.
Кратность опреснения исходной воды, мг/л (ммоль/л), определяют по формуле:
1
1
Жп
уст
1000 "^^ Y.
A5.135)
уст
где Yyc„ = С^/С„ - безразмерное отношение солесодержания опресненной воды к соле-
содержанию исходной воды.
Для ориентировочных расчетов электрической проводимости растворов (р)
используют таблицу 15.54.
Таблица 15.54
Значения удельного электрического сопротивления поваренной соли при / = 25 °С
Концентрация NaCi
г/л
0,029
0,058
0,290
0,600
1,170
2,900
5,800
11,600
29,000
ммоль/л
0,5
1,0
5,0
10,0
20,0
50,0
100,0
200,0
500,0
Значения р. Ом см
16000,0
8060,0
1630,0
840,0
430,0
185,0
93,0
49,2
21,5
381

Предельное значение степени концентрирования рассола находят по содержанию
ионов кальция и сульфатов в исходной воде, по номограмме, представленной на
рис. 15.53. Этапы определения коэффициента концентрирования рассола:
1. По содержанию ионов кальция и сульфатов в исходной воде находят значения
/2[Са2^] и/з[8042-];
2. Определяют ионную силу опресняемой воды:
ц = {[Са2*] + [SO42-] + [Mg2*] + 0,5[Na1 + [HCOj-] + [С1-]}-10-3;
3. В зависимости от значения ионной силы ц находяту^(ц);
1-
4. Вычисляют/|(A'j.) по выражению:/iC/fJ =/2(Са2+) Уз[^04"
5. Определяют значение К^ в зависимости orfi^K^).
]-/4(ц)-2,74
1
80-1
-1,40
76-
72-
68-
64^ _
60—
66-^-1.55
-1,46
-1,60
52-
46^
44-
40 J
32
24-
8 —
4
О
•1,60
1,65
й
-1,70
Зв-^1,76 Jx
1.80 "•
28--1,85 •=
-1,90
- -1,95
'^~-2,10
12- -2.20
-2,30
2,40
2,60
1Г
0,80-
0,7&^
0,72- ~
0,6^
0,64- _
0,60-
0,56-
0.52-
5 0,46- _
0 0,44-
g 0,40- -0,30
£ 0,36-^
S. 0,30.
1 о.гй^'""
§ 0,24-^-0,45
". 0,20^-°.^
• - -0.55
I °''Н-0,60
0,65
-0,70
jtO.80
-3,20
О —П,40
-0,10
.015
■020
-0,25
-0,35 ■
79,00
1-8,60
l,15-|_g20
■7.80
'•"'-^7,40
1,05- Г'■00 1
-6,60
'■«^^6,20
0,95- -5,80 1
0,90--^••'° '
-5,00
"•«^--4,60
''■»°--4,20
0.75- ■
0.7СК-3'«'
•3,00
0,55.1-
0,60- ,60
0,40- Г^'-"
ОЗСЕ -1,80
0,2E -1 40
0,1CV.
О ^^^-1,00
Рис. 15.53. Номограмма для
определения коэффициента
концентрирования рассола А*^
(по Г.Г. Первову)
При определении расчетной скорости протекания исходят из оптимальной
скорости для прокладки, а также существующей конструкции элекгродиализатора и
оптимальной плотности тока. Задача сводится к определению числа параллельно
работающих электродиализаторов. Поскольку расчетная пропускная способность установки
кратна (с приемлемым приближением) пропускной способности элекгродиализатора, то
скорость протекания обычно является уже заданной для данной конструкции
электродиализатора.
Число параллельно работающих электродиализаторов определяют по формуле:
\т _ *^0"я
A5.136)
где Qycm, Q3 - соответственно производительность установки, пропускная способность
аппарата, м^сут.
382

Расчетная скорость протекания:
О V
^Рас ~ JJ Q" ' A5.137)
где v„ - скорость в аппарате по паспорту; Q," - пропускная способность аппарата по
паспорту, мз/ч.
Степень обессоливания на электродиализаторе определяют по формуле A5.138):
■.1/ЛГ
Y = Cff 1С^ . A5.138)
Расчетная концентрация рассола по ступеням составляет:
а) на выходе из последней ступени
^р =^с^н , A5.139)
б) на входе в электродиализаторы
Ср., =Cp-dAC , A5.140)
в) расчетная концентрация рассола по ступеням
C,s> = CJK, + d^^„-Y„(\-Y)/lg(I/Y)\} , A5.141)
где К^ - коэффициент концентрирования; </- безразмерное отнсннение расхода дилюата
к расходу рассола по трактам, принимаемое равным 1; С„ - солесодержание исходной
воды; Yy^„- производительность установки; У-степень обессоливания;/-сила тока.
Рабочий напор насосов, м, на одну ступень:
Я = Я,+Я2+Я3, A5.142)
где //] - потери напора в электродиализной ячейке, м; //г - потерн напора в
распределительной системе (ориентировочно принимают равными 2-4 м); Н^ - потери напора в
трубопроводах и арматуре, равные 3 м.
Общий расход электроэнергии, кВт/ч, определяют:
^с6щ=Кпр+^пер , A5.143)
где IVg^ - расход энергии на собственно димениралнзацию; W^j,- расход энергии на
перекачку.
383

K„,=i'Rt
A5.144)
/ = 26,8(Q-C,)a/«Л^
A5.145)
где / - сила тока. А; R- электрическое сопротивление электродиализатора. Ом; / -
время, ч; Q^ - расход диалюата, м^/ч; п - число ячеек; г| - выход по току, равный при
деминерализации пресных вод от 0,85 до 0,98; при опреснении солоноватых вод до качества
питьевой воды от 0,8 до 0,85.
пер
2,12HQ
Лнас^дв
A5.146)
где Н - потери напора в диализаторе, м; ^ - расход дилюата, рассола или промывной
воды, мЗ/ч; Г1„ас> Лдв ~ КПД насоса и электродвигателя соответственно.
Удельную площадь мембран (нетто), м^(мЗсуг') определяют по таблице 15.55.
Таблица 15.55
Значения минимальных удельных площадей мембран для различных солесодержаний
С^ , моль/м'
20
35
50
100
650
Cj^ , моль/м'
10
10
10
10
10
Т1
0,85
0,85
0,80
0,80
0,70
^>.
0,60
1,00
1,28
1,84
2,34
Для определения объема газа, выделяющегося в приэлектродных камерах
электродиализаторов, пользуются формулами A5.147-15.149).
Количество газа, моль:
IzA
т, =•
где / - сила тока. А; т - продолжительность электролиза; А • относительная атомная
масса; 96500 - постоянная Фарадея, Кл/моль; Z- валентность.
Объем газа, м', занимаемый этим количеством, рассчитывается с помощью
уравнения Менделеева-Клайперона и при давлении, равном 101,08 кПа, температуре 25 °С
B98 К) составляет:
(^ = 1,26-10-'/т
A5.148)
Объем одного моля водорода при нормальных условиях составляет 11,2 л. При
расчетах необходимо учитывать растворимость газов в воде. Объем выделяющегося в
катодной камере водорода, с учетом его растворимости, равной 1,82-10^ mVIOO г воды,
пользуются формулой:
384

V„^ = 2A,26-lO-'t/^L/v-1,82-10-*) A5.149)
где i - плотность тока (зависит от солесодержания исходного обессоливаемого
раствора); /ai ~ площадь электрода; L - длина пути, который проходит промывной раствор;
V - скорость движения раствора в камере, обычно более 20 см/с.
Формула A5.149) справедлива, если объем раствора в эле1сгродной камере не менее
100 см^ (без учета плотности раствора).
Пределы взрывоопасности водородно-воздушной смеси составляют от 4 до 74%.
Минимальное время, необходимое для образования взрывоопасной смеси для
конкретного здания будет равно:
x.^=0,04^ = 0,03F,, A5.150)
Помещения, в которых монтируются эле1сгродиализные установки, относят по
взрывоопасности к категории В 1-6.
15.6. Фторирование и обесфторивлние воды
Недостаток фтора в воде в той же мере, что и его избыточное содержание
оказывает неблагоприятное воздействие на организм человека.
Оптимальное содержание фтора в воде питьевого качества составляет 0,7-1,5 мг/л.
Фторирование воды осуществляют химическим методом с применением фторсо-
держащих реагентов: кремнефтористый натрий, фтористый натрий, кремнефтористый
аммоний, кремнефтористо-водородная кислота. В отечественной практике водоподго-
товки широкое распространение получил кремнефтористый натрий.
Фтораторная установка включает в себя растворные баки или сатуратор, склад
реагентов, насосное и воздуходувное оборудование. Технологические параметры
элементов установки определяют по расчету, используя данные таблицы 15.56. Дозу фторсо-
держащего реагента, г/мЗ, рассчитывают по формуле:
^ w^flrf, - Ф
'^Ф='^^ • гг п ' A5.151)
где тф - коэффициент, зависящий от места ввода реагента в обрабатываемую воду,
принимаемый при вводе после очистных сооружений - 1,0, при вводе перед фильтрами при
двухступенчатой схеме очистки воды - 1,1; а^ - необходимое содержание фтора в
обработанной воде, мг/л, в зависимости от климатического района расположения
населенного пункта (для средней полосы России аф = 1 мг/л - для зимнего периода); ф -
содержание фтора в исходной воде, мг/л; Кф - содержание фтора в чистом реагенте, %; Сф -
содержание чистого реагента в товарном продукте, %.
13 - 9858 385

s
ё
f2
i< i i р- g
X
s
a.
I
s
a.
■.У-
к 2 x s
I S 2 g g.-,
S 3 я h ^ fc
.o я
>rj
>rj
I §
i!
8.
«.«
о о u
s
Si
о .. с
iri с; J
I О
I?
«5 a"
if
o. 3
i"
■§■2
о
s
3
s
o.
I
V
X
a
8-
s
я
«
(S W -,- '*'
3 5 S.H:
386

Полезный объем растворного бака, мЗ, для приготовления ненасыщенного
раствора составляет:
^ _ ^сут^ф ^ A5.152)
где Q^„ - расход воды, м^/сут; Дф - доза реагента, г/мЗ; Ср - концентрация раствора в
баке, г/л; п - число затвореиий в сутки.
Для перемешивания раствора следует предусматривать устройство механических
мешалок или подачу воздуха воздуходувками с интенсивностью 8-10 л/(с-м2).
Производительность насоса-дозатора, мЗ/сут, определяют по формуле:
^ ИсутМф ^ A5.153)
"' СрЮОО
где Ср - концентрация раствора в баке, г/л.
Для приготовления насыщенного раствора кремнефтористого натрия с постоянной
концентрацией применяют сатуратор с подачей на него предварительно подогретой
очищаемой воды до температуры 20 °С.
Производительность сатуратора, л/ч, (по насыщенному раствору реагента)
определяют по формуле:
ДфЧ
9.=^, A5.154)
где q - расход обрабатываемой воды, м^/ч; п^ - количество сатураторов, шт; Рф -
растворимость кремнефтористого натрия, г/л, составляющая при f = О °С - 4,3; / = 20 °С - 7,3;
/ = 40 "С-10,3.
Скорость движения воды в цилиндрической части сатуратора принимают равной
0,05-0,1 м/с, а время пребывания в нем раствора - не менее 5 ч.
По величине q и скорости движения воды определяют объем и габариты сатуратора.
Количество необходимого реагента рассчитывают по расходу обрабатываемой
воды с учетом запаса на 30-45 суток и Д^.
Площадь склада реагентов с учетом проходов {К= 1,2) находят из расчета
площади, занимаемой одной бочкой ( 0,25 м^) или мешком ( 0,4 м^), и общего требуемого
количества бочек (мешков).
Схема фтораторных установок с растворным баком и сатуратором представлена на
рис. 15.54.
В случае применения схем с сухим дозированием порошкообразных реагентов
необходимо предусматривать камеру для смешения с водой и растворения отдозированно-
го реагента с устройством механических или гидравлических мешалок. Концентрацию
раствора в камере следует принимать до 25 % растворимости реагента при данной
температуре, минимальное время пребывания раствора в камере - 7 мин.
13* 387

14 ^ 15
Рис. 15.54. Схема фтораторной установки сатураторного типа (а), с растворными баками с
механическим побуждением (б) и с барбатированнем (в):
1 - сатуратор; 2 - эжектор; 3 - расходомер; 4, 5 - отвод фторированной н подача исходной воды;
6 - отвод разбавленного осадка; 7 - теплообменник; 8 - рециркуляционный насос; 9 - растворный
бак; 10 - бункер фторсодержащего реагента с дозатором; 11 - мешалка; 12 - поплавковое
устройство; 13 - насос дозатор; 14 - напорный фильтр для осветления раствора реагента (вариант);
15 - отвод фторсодержащего раствора; 16 - сброс осадка; 17 - воздуходувка; 18 -
воздухораспределительная система
Известны методы обесфторивания, в основу которых положено извлечение фтора
фильтрованием воды через фторселективные материалы.
К фторселективным материалам относятся: активированный оксид алюминия; фо-
сфатсодержащие сорбенты (обработанные щелочью трикальцийфосфат, суперфосфат и
388

др.); магнезиальные сорбенты (оксифториды магния); активированные угли (БАУ,
КАД); алюмомодифицированные материалы и др.
Одним из наиболее эффективных методов обесфторивания является фильтрование
воды через активированный оксид алюминия, на котором сорбция фтора происходит по
ионообменному механизму.
(AHJS04 + 2F-A2(AH)F + SO42-,
где АН - анионит-активированный оксид алюминия.
Основными элементами обесфторивающей установки (рис. 15.55) являются
напорные фильтры типа Н-катионитовых, загруженные сорбентом; бак с водой для
взрыхления загрузки, реагентное хозяйство, включающее сооружения и устройства для
приготовления и дозирования регенерационного раствора.
Вода от скважины —*
r^R^
т^^^й
Обесфторенвая вода
Рис. 15.55. Схема установки для сорбцнонного обесфторивания воды:
1 - сорбционные фильтры; 2 - бак для раствора А12(804)з или NaOH; 3 - бак для раствора H2SO4
(требуется только при регенерации едким натром); 4 - бак для сбора отработанного раствора
Al2(S04K или NaOH
Проектирование обесфторивающей установки следует производить с учетом
данных, представленных в таблице 15.57.
Суммарную площадь фильтров, м^, определяют по заданному расходу воды и
рекомендуемой скорости фильтрования. Количество рабочих фильтров принимают равным
не менее 4.
Продолжительность работы фильтра, ч, между регенерациями рассчитывают по
формуле:
Т =
A5.155)
Яф-{Сисх—~)
гце/- площадь фильтра, м^; Я- высота слоя сорбента, м; Ep^g - рабочая емкость
поглощения, г/м^; дф - производительность фильтра, м^/ч; С „ас ^ф " содержание фтора в
исходной и очищенной воде соответственно, г/м'.
389

Таблица 15.57
Параметры расчета сорбциониого фильтра
Показатель
Исходная вода:
содержание фтора, мг/л
содержание взвешенных веществ, мг/л
общее солесодержание, мг/л
Скорость фильтрования при нормальном режиме, м/с
Сорбент:
емкость поглощения, г/м''
объемный вес, т/м^
крупность зерен, мм
высота слоя, м
Дренажный слой из кварцевого песка:
крупность зерен, мм
высота слоя, мм
Взрыхление сорбента:
интенсивность, л/см''
продолжительность, мнн
Регенерация сорбента:
концентрация раствора, %, в баках
растворных
расходных
скорость пропуска регенерационного раствора, м/ч
продолжительность регенерации, ч
расход AI2 {SO^ )з, г на 1 г удаляемого фтора
Отмывка сорбента:
интенсивность, л/с-м^
расход воды, м^ на 1 м^ сорбента
продолжительность отмывки, ч
Сорбционный фильтр
до 5
не более 8
не более 1000
не более 6
1500-2000
0,5-0,8
1-3
2,0
2-4
150
4-5
5-20
8-10
1-1,5
2-2,5
6-8
40-50
4-5
10
по расчету
Примечания: 1. Первые порции фильтрата смешивают с исходной водой для получения
концентрации фтора в воде, равной 1-1,2 мг/л.
2. Последние порции регенерационного раствора (~ 25% общего объема)
рекомендуется использовать вторично.
3. Отмывку сорбента производят исходной водой, часть отмывочных вод
сбрасывают в водосток, часть - отводят для повторного использования.
Расход воды, м^, иа взрыхление одного фильтра составляет:
^«,=0,06-СО„^-/-/„^, A5.156)
где ©взр - интенсивность взрыхления, л/(с-м2); i^^ - продолжительность взрыхления, мин.
Полезный объем растворного или расходного бака, м', определяют следующим
образом:
W,=-
lOOO^ry
A5.157)
тд.йДр - расход алюминия в пересчете на А12(804)з, г на г удаляемого из воды фтора;
390

п - число регенераций, («=1 при количестве фильтров N < 8 и п = 2 при N > 8);
Ь - концентрация раствора сернокислого алюминия в растворном или расходном баке;
у - объемный вес 8-10%-го раствора сернокислого алюминия, равный 1,09 т/м^ и
1-1,5%-го раствора- 1,01 т/м^.
Интенсивность подачи воздуха для перемешивания раствора в баках следует
принимать 8-10 л/(см2), скорость движения воздуха в распределительных трубах -
10-15 м/с.
Продолжительность отмывки, с, одного фильтра с сорбционной загрузкой после
регенерации находят из соотношения:
а 1000
1огш= """ ^ , A5.158)
где Чотм ~ расход воды для отмывки фильтра, м^; ©„^ - интенсивность отмывки, л/с-м^;
/- площадь фильтра, м^.
Удаление фтора из воды возможно путем его сорбции осадком (оксигидрат магния,
трикальцийфосфат, гидроокись алюминия), получаемым в результате обработки воды
различными реагентами.
Следует уделить внимание контактно-сорбционному методу обесфторивания,
который реализуется на контактных осветлителях. Этот метод рекомендуется применять при
содержании фтора в исходной воде до 10 мг/л, растворенного сероводорода - до 2 мг/л
и щелочности воды не более 6 мг-экв/л.
15.7. Удаление бора и брома
Ввод в действие новых СанПиН 2.1.4. 1074-01 предусматривает расширение
перечня ингредиентов и ужесточает требования к их предельно допустимым концентрациям
в питьевой воде. К числу новых биологически активных нормированных ингредиентов,
относятся бор В^^ и бромиды Вг, допустимое содержание в питьевой воде не должно
превышать соответственно 0,5 и 0,2 мг/л.
Присутствие этих элементов в подземных и поверхностных водах, как правило,
связано одновременно с присутствием в них других ингредиентов, требующих
извлечения. К числу последних в подземных водах относятся железо, марганец, диоксид
углерода, сероводород и др.
В настоящее время в отечественной практике отсутствуют данные о
промышленном и достаточно эффективном использовании таких методов как реагентное
осаждение, мембранная технология (обратный осмос, элекгродиализ), ионный обмен на
отечественных марках ионитов для удаления бора. Поэтому, обоснование технологии обесбо-
ривания и дебромирования воды на станциях средней и тем более большой (>10,0
тыс.мЗ/сут) производительностях применительно к этому методу должно
производиться только на основании технологических изысканий по кондиционированию таких вод
у водоисточника.
В ПИИ ВОДГЕО разработана и апробирована на реальном источнике технология
комплексного обесборивания и дебромирования подземной воды, содержащей
одновременно железо, марганец, свободный диоксид углерода, азот аммонийный (табл. 15.58).
391

Как видно из таблицы, подземная вода не стабильна и характеризуется отрицательными
значениями индекса Ланжелье и потенциала осаждения карбоната кальция.
Соотношение ингибирующих ионов, в частности, кальция к агрессивным хлорид ионам, ниже
минимально рекомендуемой величины 0,45 отн.ед; что обуславливает наличие процесса
электрохимической коррозии внутренней поверхности стальных трубопроводов
распределительной системы водоснабжения. При этом происходит вторичное загрязнение
питьевой воды продуктами коррозии - железом и его соединениями.
Разработанная впервые технология очистки и кондиционирования воды
предусматривает биосорбцию с аэрацией, обезжелезивание на гидроавтоматических фильтрах с
неоднородной гранульной пенополистирольной загрузкой АФПЗ-4М, удаление
соединений бора на фильтрах с анионитом S-108, активированным в ОН-форму, дебромиро-
вание на сильноосновном анионите АВ-17-8 в С1"-форме, глубокую адсорбционную до-
очистку на активированном угле микроструктурного типа марки АГ-3, коррекционную
обработку очищенной воды по схеме: фторирование + стабилизация + обеззараживание.
Эффективность рекомендуемой технологии и ее параметры для проектирования
станции кондиционирования подземной воды проверены комплексными
физико-химическими и технологическими исследованиями в лабораторных и
опытно-производственных условиях на водозаборных сооружениях, (рис. 15.56)
S промкаиал
ва 06ejBO4(_jT' ,3 12 и
осадок
Рис. 15.56. Технологическая схема кондиционирования подземной воды, содержащей
железо, бор и бромиды:
I - биореактор; 2 - гидроавтоматический фильтр АФПЗ-4м, 3 - промежуточный резервуар обезже-
лезениой воды; 4 - иасос подкачки; S - анионитовый фильтр I спупени; 6 - анионитовый фильтр
II ступени; 7 - сорбциониый фильтр; 8 - резервуар питьевой воды; 9 - узел коррекционной
обработки воды: обеззараживание, фторирование, стабилизация; 10 - насос третьего подъема;
11,12,13- расходные баки регенерационных растворов с насосами; 14 - блок приема и очистки
промывных вод
Исходная вода от сборного водовода транспортирующего воду от рабочих скважин
подается на биореакторы-аэраторы A), затем на гидроавтоматические фильтры обезже-
лезивания с неоднородной гранульной пенополистирольной загрузкой АФПЗ-4М B),
где удаляется помимо гидроокиси железа (III) аммоний. Обезжелезенная вода
поступает далее самотеком в промежуточный резервуар C).
Bnopeaicrop и фильтр для обезжелезивания и деманганации АФПЗ-4М
проектируется аналогично сооружениям, работающим на станциях обезжелезивания воды не
содержащих В^^ и Вг.
392

Для подбора и установления технологических и конструктивных параметров
блоков обеззараживания и дебромирования воды предварительно изучают динамику
сорбции катионитов В^* на борселективной смоле (в примере ионит S-108) и бромселектив-
ном ионите (в примере АВ-17-8).
Таблица 15.58
Результаты физико-химического анализа артезианской воды из действующей скважины Чумляк-
ского месторождения
Ns
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Показатели
2
Температура
Водородный
показатель при
температуре пробы
Мутность
Цветность
Запах
Привкус
Щелочность общая
Жесткость общая
Жесткость
карбонатная
Жесткость
постоянная
Кальций Са^^
Магний Mg^*
Натрий Na* +
Калий К*
Хлориды СГ
Сульфаты S04^'
Гидрокарбоиаты
НСО'
Карбонаты СОз'
Единицы

измерений
3
°С
ед. РН/°С
мг/л
град
балл
балл
мг-экв/л
мг-экв/л
мг-экв/л
мг-экв/л
мг-экв/л
мг/л
мг-экв/л
мг/л
мг-экв/л
мг/л
мг-экв/л
мг/л
мг-экв/л
мг/л
мг/л
мг-экв/л
мг/л
Количество в пробе
00
ОЧ
rs
о
i
4
7.84
5,90
1.61
1,61
0
0,8
16,0
0,81
9,9
15,37
354
5,80
205
4,44
213
360
отс
00
т
5
7,4
9,47
-
2,05
1,0
20,0
1,05
12,8
-
6,06
215
3,92
188
-
отс
т
т
и
6
3,5
7,35
0,7
20
0
5,90
1,90
1,90
0
0,9
18,0
1,0
12,6
14,2
327
5,98
212
3,50
168
360
отс
С1.ГП
m *
со
и о
7
4.0
7,30
1,8
25
1,0
0
6,25
1,90
1,90
0
1,0
20,0
0,9
10,9
13,57
312
4,32
153
3,70
187
381
отс
о
X —
и ^
8
-
6,0-
9,0
^1,5
<20
^
<2
>0,5
^7,0
-
-
30-140
5-84
<200
<350
^500
30-
450
-
Стандарты ЕЭС
min
9
-
мах
10
25
optim
11
12
6,5-8.5
2,0 ед. (по
Джексону)
20
2A2°С)
3B5''С)
2A2°С)
3B5°С)
-
-
-
-
10
5
-
-
-
-
_
-
-
-
-
50
100
200
250
-
-
5
0
0
0
0,5
35DF
-
-
100
30
20
5
5
-
-
393

Продолжение таблицы 15.58
1
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
2
Силикаты 8Юз^'
Нитраты NO3'
Фосфаты РО4''
Нитриты NOj'
Аммоний NH/
Фториды F'
Бор В (общий)
Бромиды Вг'
Кремний Si
Сухой остаток
Сумма ионов
Диоксид углерода СО;
-свободный (для 3.5°С)
-равновесный
-агрессивный
Равновесное значение
водородного показателя
PHs
Индекс Ланжелье •//,
Индекс Ризнера J^
Щелочность
равновесная
Показатель
стабильности Пс
Потенциал осаждения
карбоната кальция
Мосоз
Показа
корроз
актнвн
п,=
/7,=
тели
юнной
эсти
а'
на
5;
а +so^-
ят
3
мг-экв/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
ед.рН
ед.рН
ед.рН
мг-экв/л
ота.ед.
мг/л
отн.ед.
4
0,93
35,5
<0,05
0,01
1,68
0.29
1.64
-
13.3
998
5
-
5,2
0,036
1,4
0.44
1.45
-
-
915
6
0,97
36,9
отс
0.5
отс
4,1
0.4
1.6'^
0.6
13.6
960
1140
18..5
2.4
16..1
8.39
-1.04
9.43
6.27
0.94
-36.6
0.15
0.63
7
1.2
45,5
отс
1,04
отс
2,8-
3,2
0.44
1.8
0.42
16.8
927
1117
19.4
2.9
16.5
8.4
-1.10
-9.5
6.63
0.94
-3Z5
0.13
0.64
8
-
<45
^3.5
<3
<2,6
0.6
^0.5
^0.2
^10.0
S1000
1500)
-
>0
6-7*
-
не
менее
1
4-
10**
>0.45
^0.35
9
-
-
-
-
-
10
-
50
5 мг
Р/Л
0,1 по
N
0,5 по
N
11
-
-
-
-
0,05
по
N
1.5при(8-12)''С0.7
при B5-30) °С
-
-
-
-
-
-
ми
0.5
-
1500
при
180
"С
-
-
-
-
-
5
-
6-7*
-
4-
10**
394

Продолжение таблицы 15.58
1
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
2
Окисляемость
перманганатная
Железо общее Fe
Fe'^
Марганец Mn''*
Стронций
стабильный Sr^*
Цинк Zn'*
Селен Se
Медь Си (общая)
Мышьяк As
Свинец РЬ
Алюминий А1
3
мгОз/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
4
1.7
0.2
0.07
0.19
0.14
0.002
<0.01
<0.00
5
<0.00
1
0.44
5
0.8
0.92
0.07
0.1
0.05
0.005
0.03
0.01
6
Л
1.26
0.48
0.78
ОТС
7
Л
-2.16
1.76
0.4
ore
8
^5
<0.3
S0.1
^7
й5
S0.01
<1
S0.Q5
S0.03
^.5
9
-
-
-
-
-
-
-
10
5
0.3
0.05
2.0
-
1.5
0.05
-
11
1
0.1
0.02
0.1
-
0.05
-
-
Примечания: I. ♦ - в соответствии с эмпирической шкалой Ризнера;
2. ** - по Колдуэллу-Лоуренсу; 3. «отс.» - контролируемое вещество
отсутствует в пробе
Примеры результатов технологического моделирования приведены на рис. 15.57
-15.58. С учетом технологических характеристик ионообменных смол и методов
расчета необходимого разбавления воды определяют расчетные скорости фильтрования,
продолжительность межрегенерационных периодов фильтров I и II ступени, требуемые
параметры промывки и регенерации ионитовых загрузок, предельные потери напора в
загрузках и системах фильтров.
Важными составляющими в блоках обезжелезивания, дебромирования и обесбори-
вания, являются системы подачи, режимы промывки и регенерации исчерпавших свои
обменные емкости ионитов, повторное использование регенерационных растворов,
восстановление их аетивности, а также утилизация образующихся осадков.
Последующий блок сорбционной глубокой доочистки воды на упшх марок АГ-3
(АГ-5) и др. проекгируется аналогичным обычным сорбционным фильтрам.
В зависимости от отсутствия или избыточной концентрации в воде других
ингредиентов (в данном примере коррозионные свойства воды, фтор, натрий) на
окончательной стадии водообработки осуществляется кондиционирование воды и ее
обеззараживание. Как видно из рис. 15.56 система включает в себя промежуточные емкость и
смесители для регулирования подачи части воды на полное обеззараживание и дебромиро-
вание н ее смешение с исходной водой. Это необходимо производить с учетом
специфики протекания полного ионного обмена на применяемых смолах.
395

Жо.Що.
Mr-jKB/л
2.0
6. 1.3
4- 1.0
%-fW-"^'^
•
1, <
/(
г
\^
I
^ллт
г*
л
о
U V
—г
—О—1
;So4
-^
-—О—
1 •■
•
О
^С1-
о
.^
г
ТУ
о
рН
11,5
2.5
9.9 .. 2.0
В. мг/л
S.3 .1.0
О 6 12 18 24 30 36 42
54 60 66 72 78
Vl0'.oao6
Рис. 15.57. Динамика сорбции компоиентов исходной воды борселективной смолой S-108
Условия фильтрования: высота загрузки - 0,52 м; объем загрузки - 0,1 л; фильтрование с
удельной нагрузкой 10 мл/(мл-ч); Состав подземной воды месторождения Чумляк (гЩучье Курганской
области); рН = 7,90, Щдби, = ^,2 мг-экв/л, Ж^щ=Ъ,Ъ мг-экв/л, SO^^" = 240 мг/л, CI" - 220 мг/л,
В^* = 3,8-4,0 мг/л, Вг = 2,4-2,6 мг/л, перманганатная окисляемость 2,96 МГО2/Л
^"С1.31>,'10".»г.л
0 6 12 18 24 30 36 42 48 64 60 66 72 78 10 .об/об
Рис. 15.58. Динамика ионного обмена компоиентов нсхцдиой воды при последовательном
фильтровании по схеме S-108 Aступеиь)-> АВ-17-8 (II ступень)
Условия фильтрования: (см. рис. 15.57)
В табл. 15.59 приведены примеры изменения качества исходной и очищенной воды
после каждого из составляющих общей технологической схемы.
396

я
о.
ю
о
Z
X
5
)S
S
о
и
т
S
Z
в
i
1
1
1 о
1 5 i
о о S
Ы! S ■
а
gov
О S -
1 m s:
1 < w
S. 5 '-^
« 5 ■
,
^ ■«•• "^ ~>
u о о
i5 « О
a.
О
1 Э
2 £
R
о
с
s
С!
о
О
С
r~
ЧО
trj
■*
-
ЧО
ЧО
in"
ЧО
in
in
и
0
a.
'a
a.
u
с
Z
u
o
00
О
00
о
in
in
r^
in
r~
a.
5
Я
о
с
IS
3
X
1
о
ч
о
m
о
о
in
о
о
о
о
о
V
о
V
trj
о
00
-р
Z
иГ
S
Оч
о
00
00
00
о
о
с;
0
Г)
U
л
X
т
о
5
3
(N
(N
ОЧ
ОЧ
ОЧ
ОЧ
Оч
ОЧ
-5
CQ
Г)
1
U
Z
э
о
о
<N
О
-—\
О
О
(N
О
~
о
о
О
~^
о
о
О
о
о
О
о"
о
О
"^
о"
о
О
Z
1
Г)
U
Z
<
IS
S
а
ОЧ
Оч
О
ОЧ
О
Оч
О
ОЧ
О
ОЧ
О
о
ОЧ
О
ОЧ
О
ОЧ
О
ОЧ
О
ОЧ
О
ОЧ
О
Оч
О
■§
Z
1
Г)
ГА
>s
S
S
ОЧ
С-
1
in
»n
00
ON
ON
in
»n
•4t
•^
^
Ю
•*
Г)
и
3
ч
S
D.
О
in
С-
in
ГЛ
m
о
00
in
1
m
чо"
00
00
т
чо"
00
00
Z
1
Г)
1
u
О
3
(N
■*
in
5-
00
5^
'
чо
5-
■*
„^
■*
О
и
X
3
S
1
S
(N "^
21 с
m
о
rt
ОЧ
ОЧ
m
О
2;
00
чо
■§
Z
1
1
U
Z
<
S
+
>s
s
X
ОЧ
ЧО
гл
ОЧ
о
ОЧ
ЧО
гл
г~
ОЧ
о
р
о
00
00
f^
2,
in
~^
ОЧ Гч]
— ^
ОЧ
1
i
п
с
Z
о
3
н
S
in
in
о
in
о
о
о
о
V
00
—
in
U
Z
QQ
а.
<N
о
о
о
о
о
р
о
^^
о
Z
QQ
3
ч
S
Z
а
in

(N
о
о
о
о
о
•ч-
о
о
о
о
о
о
о
-?
Z
ь
а.
о
397

15.8 Удаление кремневой кислоты
В природных водах содержание кремневой кислоты и ее солей колеблется в
пределах ~ 0,5-2,0 мг/л в поверхностных, и до 30 - 50 мг/л - в подземных.
Санитарно-гигиеническими нормами для хозпитьевого водоснабжения не
рекомендуется допускать содержание ее в питьевой воде более 1,2 мг/л. Ряд производств (химико-
фармацевтическая промышленность, производств целлюлозы, теплоэнергетика) также
регламентируют концентрации кремневой кислоты в потребляемой воде (до мг/л или менее).
В таблице 15.60 приведены основные методы удаления из воды кремниевой
кислоты, технологические параметры процессов и область их применения.
Таблица 15.60
в
в
1
2
3
4
Методы удаления из
воды
кремниевой
кислоты
Реагеитиые:
- известкование
- коагулирование
солями алюминия
и железа.
- гидроокисью
магния
Фильтрование через
гранулированные
сорбенты:
- магнезиальный
сорбент
- активированная
окись алюминия
Анионитовые
методы
обескремнивання
Электрохимическое
обескремнивание
Сущность методов и основные
параметры технологии
Подогрев до 40-80°С
рН> 8,5-9,5
Да1,0з * 150-200 мг/л
ДfgOH «300-350 мг/л
Дмео «5-10мг/мг8Ю2
MgO : MgCl^ = 1,2: 1,0;
Я=3-4м
Г=40''С; У=]Ом/ч;
^^'=85кг SiOj/M^
^^=5-6м/ч; Я = 1,5м;
^^^ =10-12 кг SIOj/m':
Регенерация-0,1% NaOH ;
Т рег.=6-8 ч.
6HF+SiOj=HjSiF,+HjO;
2[AHJ)H + HjSiFjAHlsiFj +
Электроды алюмниевые,
^ =0,5-10mA/cm^; pH=6,5-9,0;
и =1,5-15B; Al^Oj =15-25 мг/л;
У <3,5-7,0 мг/х
Область применения,
назначение
81О2(исх.)<18-20мг/л
Si02 (ф.) <6 - 8 мг/л
SiOj (ф.) 50,5-2 мг/л
SiOj (ф.) 50,25 мг/л
8Ю2(ф.)<0,1-0,3 мг/л
8Ю2(ф.)<0,1-0,5 мг/л
Si02 (ф.)<0,05 мг/л
Si02(HCx.) <40мг/л
SiOj (ф.) <4-5 мг/л
398

Обескремнивание воды известкованием основано иа небольшой растворимости
силиката кальция, требует сложного приготовления реагентов и утилизации больших
количеств осадков и может быть рекомендовано для незначительного снижения больших
концентраций ЗЮз (на 25-30%).
Применение в качестве реагентов железного купороса совместно с известковым
молоком, рециркуляции осадка (рис. 15.59) и подогрева воды до 35-40°С позволяет
одновременно с глубоким удалением ЗЮг снизить в 3-4 раза расход магнезиальных
реагентов. Так при подогреве воды до 35-45°С обработка воды MgO с дозой 5-7 мг/1мг Si02
концентрацию ЗЮг в исходной воде в пределах от 20-25 мг/л можно снизить до 1,5-2
мг/л. Дальнейшее повышение температуры воды до 85-105оС позволяет при тех же
дозах снизить концентрацию Si02 до 0,5 мг/л (рис. 15.60).
Более технологичными являются фильтрационные методы обескремнивания воды с
использованием магнезиальных сорбентов из активированной окиси алюминия и
бокситов. Эти методы позволяют снизить содержание ЗЮзВ исходной воде от 10-15 мг/л до
0,1-0,5 мг/л. Скорость фильтрования воды на таких сорбционных фильтрах
рекомендуется назначать в пределах 6-10 мг/л при толщине слоя загрузки с диаметром гранул
1,0-3,0 м от 1,5 до 3,0 м фильтры регенерируются 0.1% раствором щелочи с полной
заменой загрузки через 6-8 месяцев.
Наиболее полное удаление Si02 достигают применением анионитовых методов с
использованием сильноосновных аиионитов (рис. 15.61). Ограничением для
эффективного использования этого метода является наличие в исходной воде сильных кислот и
щелочей с концентрацией свыше 10 мг/л.
В ИКХХВ АН Украины был испьгган и внедрен в производство метод
электрохимического обескремнивания воды в электролизере с алюминиевыми электродами.
Подогретая до 40°С вода подавалась в электролизер, в котором под действием
электрического постоянного тока алюминиевые аноды растворялись с образованием А1@Н)з. При
плотности тока 1,0-0,5 мЛ/см^ напряжением на электродах 2,5-5,0В и исходной
концентрации Si02 5 40мг/л снижение концентрации Si02 после электролизера, сорбции на
хлопьях А1@Н)з и фильтрования через антрацитовую загрузку с зернами диаметром
0,8-2,0 мм и высотой слоя 1,5-2,0 м происходило до 4-5 мг/л. В бикарбонатно-хлорид-
ных водах с небольшим содержанием сульфатов эффективность обескремнивания
возрастает. Повышенное содержание в воде гумусовых веществ несколько ухудшает
процесс. Качественный состав воды практически не оказывает влияние на эффективность
электрохимического обескремнивания.
Выбор того или иного метода удаления Si02 из поверхностных и подземных вод
зависит в конечном счете от требований к глубине обескремнивания, концентрации Si02
в исходной воде определенного физико-химического состава, производительности
станции (или установки), местных условий эксплуатации, и должен производиться на
основании технико-экономических расчетов по определению себестоимости 1 м^ очищенной
воды с обязательным учетом регенерации и утилизации промывных вод и осадков,
оценки экологичности всего комплекса очистки воды.
При проектировании сооружений и установки для обескремнивания воды дозы
реагентов, крепость их растворов, восходящие скорости движения воды в смесителях,
осветлителях со взвешенным осадком и фильтрах целесообразнее и наиболее надежно
устанавливать в процессе технологического моделирования процесса обескремнивания на
конкретной воде.
399

Нсхолная
тС/п Очищенная
У' вода
Сток
Рис. 15.59. Схема установки для обескремниваиия воды железным купоросом
нлн хлорным Железом:
1 - сместитель; 2 - вихревая камера реакции; 3 - рециркуляционный насос; 4 - осветлитель со
взвешенным слоем осадка; 5 - фильтр
Вода
Греющий пар пли
вода непрерывной
продувки
В бак для умягченной
воды нлв на катноннтовые
фильтры
Рнс. 15.60. Схема установки для
обескремнивания воды окисью
магния при высоком подогреве:
1 - подогреватель воды; 2 -
напорный дозатор; 3 - осветлитель с
каскскадным подогревателем;
4 - фильтр с загрузкой магномассы
или антрацита; 5 -
рециркуляционный насос
Обессоливаемая вода
1 3 4
—1*^ **У"
^
^
г^
у^
Очищенная вода
Рис. 15.61. Схема установки для обескремнивания воды фторидным методом
при ее обессоливанин:
1 - бак с раствором фтористого натрия; 2 - насос-дозатор; 3 - Н-катиоинтовый фильтр; 4 -
эжектор; 5 - ОН-аинонитовый фильтр; 6 - удалитель углекислоты; 7 - вентилятор; 8 - бак с раствором
щелочи; 9 - бак с раствором серной кислоты
400

16. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ
И ПОДЗЕМНЫХ ВОД
16.1. Современные технологии обеззараживания воды
Обеззараживание воды в процессе водоподготовки для хозяйственно-питьевых
целей производят с целью уничтожения возможных патогенных бактерий и вирусов на
конечной стадии обработки и улучшения санитарного состояния сооружений на
предварительном этапе очистки.
Наиболее опасные для человека водные патогенные организмы:
- вирусы (Adenovirusos, Enteroviruses, энтеровирусы гепатита А, Б, Е, Pomavirus,
мелкие круглые вирусы, поливирусы. Influenza, Echoviruses, Coxiackie);
- бактерии (патогенны Escherichia Coli, Salmonella typhi, Vibrio choleraue. Yersinia
entersilitica, Pseudomas deruginosa, Aeromonas spp, Zegionella Pneunophilca);
- простейшие агенты (Giardia Zamblia, Giardia Muris, Griptosporidium parvoum,
Entanoeba histolytica, Dracunculus medinesis spp).
В технологии обеззараживания химическими методами возможна инактивация
только вирусов и бактерий. Удаление простейших агентов производят в процессе
глубокого предварительного осветления воды.
Постоянно присутствующие в природных водах непатогеииые бактерии:
термотолерантные, железо-, сульфаторедуцирующие, манганобактерии и другие, вызывающие
биопомехи и ухудшающие качество воды, также подлежат обеззараживанию.
В связи с сезонными изменениями физико-химического и микробиологического
состава воды поверхностных и подрусловых подземных водоисточников, изменяются
режимы обеззараживания и дозы дезинфектантов в течение года. Отмечаются следующие
сезонные периоды обеззараживания:
- зимне-осенний период;
- весенний период (появление в воде споровых форм бактерий);
- летний период (повышенная обсемененность воды микроорганизмами).
Как правило, в качестве обеззараживающих агентов используют хлор, либо его
соединения: диоксид хлора, гипохлориты натрия и кальция, хлорную известь, хлорамины.
Известно, что недостатками этого относительно простого метода обеззараживания
являются пониженная инактивирующая способность по отношению к спорообразую-
щим кишечным бактериям и вирусам, а также способность вступать в реакцию с
органическими веществами и образовывать побочные, токсичные для человека вещества,
обладающие канцерогенной и мутагенной активностью. Опасность ситуации
усугубляется тем, что в связи с практически повсеместным антропогенным загрязнением воды,
как в поверхностных, так и в подземных источниках водоснабжения достаточную дозу
хлора при обеззараживании приходится увеличивать, а это, помимо образования
токсичных хлорорганических соединений, ухудшает вкус и запах воды. Необходимо также
учитывать тот факт, что перевозки на значительные расстояния и постоянное хранение
больших количеств жидкого хлора служат источником экологической опасности для
близлежащих населенных пунктов.
Положительным свойством хлора является его длительное бактерицидное
воздействие на очищенную воду в водоводах и распределительной сети.
401

Современные традиционные альтернативные методы обеззараживания - УФ-излу-
чение и озонирование - отличаются более высокой эффективностью по инактивации
спорообразующих бактерий и энтеровирусов, а также отсутствием побочных хлорорга-
нических продуктов, но не имеют консервирующего эффекта хлора.
К новым методам обеззараживания относятся ультра- и нанофильтрация через
поливолокнистые мембраны, низко- и высоковольтные разряды токов высокой частоты,
облучение ускоренными элеюронами, гамма-облучение, лучи лазера и другие. Но они
пока не нашли широкого применения на городских водопроводах.
В схемах очистки загрязненных поверхностных и подземных вод в странах
Европы, США, а также в России находят сочетание методов озонирования, УФ-облучения с
исключением первичного хлорирования и использованием консервирующего эффекта
обеззараживания хлором с уменьшенной дозой для очищенной воды.
Рациональный выбор метода обеззараживания питьевой воды должен
производиться с учетом качества воды в источнике водоснабжения, схемы и производительности
станции водоподготовки, состояния водоводов и распределительной сети.
16.2. Проектирование систем обеззараживания воды хлорреагентами
Химизм и методы обеззараживания.
Процесс обеззараживания воды хлором определяют образующиеся при
растворении в ней хлора хлорноватистая кислота HOCI (сильный окислитель) и гипохлорит ион
CIO (более слабый окислитель). Их наличие рассматривают как присутствие в виде
свободного активного хлора.
Хлор взаимодействует с водой по уравнению
Cl^ + H^OoHCl + HClO, A6.1)
НСЮоН'+СЮ". A6.2)
Бактериальный эффект хлора вьпван взаимодействием хлорноватистой кислоты и гипо-
хлоритного иона с протоплазмой клеток бакгерий. Кинетика процесса обеззараживания при
постоянной концентрации остаточного хлора в воде описывается уравнением:
Л^/Л^о = /Л A6.3)
где: NqhN- соответственно начальное и по истечению времени; / - количество
микроорганизмов в воде; А - константа скорости обеззараживания, Л'.
Эффективность обеззараживания воды хлором зависит в основном от начальной
дозы хлора и продолжительности его контакта с водой. Степень загрязненности воды
органическими веществами характеризуется хлоропогаощаемостью воды.
При наличии в хлорируемой воде аммонийного азота или азотсодержащих
органических соединений (аминокислот) свободный хлор вступает с ними во взаимодействие,
образуя хлорамины и другие хлорпроизводные. Хлор, присутствующий в воде в виде
соединений с указанными веществами, рассматривают как связанный активный хлор.
Оба вида хлора могут существовать в воде одновременно.
402

При аммоиизации воды остаточный хлор является связанным активным хлором.
На сооружениях водоподготовки хлор для обеззараживания применяют в виде CI2,
хлорреагентов - растворов товарных гипохлорита натрия и кальция, гипохлорита
натрия, получаемого электролитическим способом из поваренной соли на месте, хлорной
извести, хлорамниов, а также хлора, полученного из минерализованной артезнанской
воды методом прямого электролиза.
Основные характеристики хлора и хлорреагентов.
Жидкий хлор (CI2) - (с содержанием 96-98%) подвижная маслянистая жидкость
желто-зеленого цвета, с точкой кипения при нормальном давлении - 33,6 °С; удельный
вес - 1,43 кг/л; теплоемкость - 0,2262 ккал/кг-град; коэффициент динамической
вязкости при температуре 38 °С - 0,Q05. Согласно требованиям ГОСТ 6718-93 в хлоре
должно содержаться не менее 99,5% CI2 (по объему); влаги - не более 0,06% (по весу).
Растворимость хлора в воде при давлении 200 мм рт.ст. и температуре О и 10 °С
соответственно равна 2,6 и 2,1 г/л. При давлении 750 мм рт.ст. растворимость хлор-газа в воде
9,65 г/л. При снижении температуры насыщенной хлором воды из нее выпадают
кристаллы гидратов хлора Cl2-7,3-H20.
Основные характеристики хлорреагентов приведены в таблице 16.1.
Таблица 16.1
Технологические характеристики хлорсодержащих реагентов
Реагент
Хлор жидкий
Натрий гипохлорит
Кальций
гипохлорит нейтральный
ГОСТ, ТУ
ГОСТ 6718-93
ТУ 243281
ГОСТ2563-82Е
Химическая
формула
СЬ
NaOCl
Са(С10J
Содержание активного
хлора, %
99,8% - высший сорт
99,6% -1 сорт
90 г/л - марка А
60 г/л - марка Б
72,0 - высший сорт
64,0 -1 сорт
52,0 - П сорт
Диоксид хлора (CIO2) - газ, содержит 90-95% активного хлора, является
эффективным дезинфицирующим средством, обладает следующими преимуществами перед
хлором: более высокий бактерицидный и вируцидный эффект, отсутствие в продуктах
обработки хлорорганических соединений, высокая степень окисления (до образования СО2)
отсутствие необходимости перевозки на большие расстояния, поскольку изготовление
производят на месте. Диоксид хлора обладает более длительным во времени бактернхщд-
ным действием (9-20 сут.) чем хлор, независящим от температуры, рН, органических
веществ, включая гумниовые вещества, и аммонийный азот в воде. Для стандартных
условий обеззараживания (800-1000 индексируемых микроорганизмов в 1 мл) режим
хлорирования: доза - 0,1-0,5 г/мЗ, продолжительность контакта - 5-10 мин обеспечивает 100%
инактнващтю. 2% водный раствор CIO2 получают взаимодействием 9% НС1 и 7,5%
хлорита натрия NaC102 ~ соответственно 0,5 и 1,7 кг на 1 кг активного хлора.
Товарный гипохлорит натрия (NaOCI) ГОСТ 11086-76 - прозрачная жидкость
зеленоватого цвета, не содержащая взвешенных частиц. Поступает в гуммированных
цистернах F т). Содержание активного хлора 100-185 г/л, щелочь в пересчете на NaOH -
10-20 г/л, железо общее - не более 0,07 г/л. Нашел применение на водопроводных
станциях любой производительности как более активный, чем хлор, в отношении вирусов
403

дезинфектант, малотоксичный (IV класс токсичности), безопасный в эксплуатации и
более простой в применении. Не взаимодействует с аммонийным азотом, оставаясь в
форме свободного хлора, обеспечивает более глубокое обеззараживание воды и упрощает
контроль остаточного хлора. Основной побочный продукт NaOH (85-87%).
Гипохлорит кальция (Са(С10J) - гранулированное твердое вещество, содержащее
от 30-45 до 54-72% активного хлора при наличии примесей NaCl A0-16%), Са@НJ
F-10%), СаСОз B%). Содержание активного хлора в продукте снижается при хранении
на 3-5% в год. Дезинфицирующая способность гипохлорита кальция эквивалентна ги-
похлориту натрия. Он имеет те же эксплуатационные преимущества. Химическая
формула гипохлорита кальция по ГОСТ 25263-22Е - ЗСа(ОС1J-2Са(ОНJ-2Н20
В первом сорте содержание CI2 составляет 64% от массы технического продукта, во
втором сорте - 52%, Представляет собой белый кристаллический порошок влажностью
не более 2%. Поставляют и хранят его в таре. Гипохлорит кальция (хлорноватистый
кислый кальций) нейтральный по ГОСТ 25263-82Е марки А содержит активного хлора
не менее 72,0%) (высший сорт), 64,0%) (первый сорт) и 52,0% (второй сорт).
Приготавливают (как и гипохлорит натрия) в затворном баке с мешалкой в виде
концентрированного раствора A0%), разбавляют очищенной водой до концентрации активного хлора 0,5-
2% в растворном баке, осветляют на фильтре с кварцевой загрузкой и дозируют с
помощью иасоса-дозатора в трубопровод перед РЧВ.
Хлорная известь CaOCl2 - гранулированное твердое вещество, содержит 25-30%
активного хлора, гигроскопичная вследствие содержания CaCl2 и нестойка из-за
реакции гидролиза и распада под влиянием света и атмосферной углекислоты. Хранение
допустимо только в неповрежденной стандартной упаковке, в закрытых складских
помещениях, сухих, затемненных и хорошо вентилируемых при температуре воздуха не
выше 20 ОС.
Гипохлорит натрия - получают на месте электролизом из разбавленного
насыщенного раствора NaCl при температуре 15 °С, содержит 6-8% активного хлора.
Содержание остальных ингредиентов:
хлорид натрия (NaCl) - 12 мг/л;
бромиды (Вг) - 6 мг/л;
хлораты (СЮз^) - 260 мг/л;
броматы (ВЮзО - 3,5 мг/л;
оксид рутения (RUO2) - менее 20 мкг/л;
хлороформ (СНС1з) - 150 мкг/л.
Считают, что бактерицидная реакция хлора и его соединений носит
физиологический характер. Хлор вступает во взаимодействие с протеинами и аминосоединениями
оболочки и внутриклеточного вещества, вызывая распад структуры клеток бактерий и
ферментов вирусов.
Бактериологическая активность различных хлорреагентов определяется рядом:
хлорамин < хлорная известь < гипохлориты < хлор < диоксид хлора.
Все виды хлорирования контролируют по свободному активному остаточному
хлору и по связанному активному остаточному хлору. Эффективность обеззараживания
хлором патогенных бактерий, вирусов и простейших в лабораторных условиях
представлена в таблице 16.2.
404

Таблица
Эффективность обеззараживания хлором патогенных бактерий, вирусов и простейших
в лабораторных условиях
6.2
Вид
микроорганизмов
pH
Температура,
"С
Время

экспозиции, мин
Остаточный
хлор, мг/л
свобод.
связ.
Эффект

обеззараживания
Вегетативные бактерии
Pasteurella
tularenses
E.Coli
Eberthella typhosa
7,3
7,3
7,0
8,5
8,5
15-5
18,5
20-25
20-25
20-25
5
5
1
10
3
0,60
0,60
0,055
0,1-0,29
0,1-0,25
-
-
-
Инактивация
Инактивация
Инактивация
Вирусы
Poliomyelitis Type 1
Ecastem aquine
encephalonyeliphis
Coxsackie
Hepatitis
7,1
7,1
8,0
6,85
8,3
8,3
6,9
6,9
6.8
7,3
7,3
7,0
7,0
6,7
6,9
18
18
18
20
21
23
20
20
-
3,6
27-29
20-25
25
25
25
120
90
90
90
180
25
25
25
5
5
30
0,45
0,50
1,90
>0,50
0,50
0,50
0,50
0,63
0,60
1,5
0,2
15
15
0,75
0,5
0,5
~
_
-
Полиостью не
ииактивируются
инактивация
не инактив.
Не полная
инактивация
Инактивация -
99,6%
Инактивация;
дозы и время не
установлены
Цисты простейших
Entamoeba
histologifica
7,0
7,0
7,0
2-5
22-25
2-5
5
5
60
60
11
5
-
Инактивация
после
предварит, коагуляции
и фильтрования
Из комбинированных методов хлорирования воды наиболыиее распространение
имеет хлорирование с аммонизацией. Оно применяется:
1) при наличии в воде, поступающей на обработку ароматических соединений
(бензола, фенола) - преаммонизация;
2) для обеспечения более длительного контакта воды с дезинфектантом (хлорами-
нами) в водораспределительной сети (постаммонизацня).
В первом случае введение аммиака или раствора солей аммония производят перед
хлорированием, во втором - после него. Весовое соотнохиение хлора и аммиака от 2:1
до 4:1 или 5:1 (условия образования монохлорамина). В случае применения
газообразного аммиака растворение его в обрабатываемой воде осуществляется при помощи ам-
405

монизаггоров, по своему устройству аналогичных хлораторам. Жидкий аммиак
поставляют в баллонах или бочках. Аммиак испаряется труднее, чем хлор, съем с одного
баллона (без подогрева) не более 200 г/ч. Эффективность обеззараживания монохлорамина
примерно в 100 раз ниже хлора.
Излишек хлора, превышающий допустимую в воде концентрацию, удаляют
дехлорированием в основном химическими методами. Наибольшее распространение
получили обработка воды сульфитом натрия (ЫзгЗОз) и сернистым газом (SO2). Реакции
дехлорирования воды вьфажаются уравнениями:
Na^SOj -l-H^O + Clj = Na^SO^ +2НС1
SO2 + 2Н2О + С\, = HjSO^ + 2НС1
На каждый миллиграмм хлора расходуется 3,5 мг сульфита натрия или 0,5-0,8 мг
сернистого газа. Применение его в технике удобно благодаря дешевизне и возможности
дозирования из баллонов или бочек при помощи обычной хлораторной установки.
Современная система регулирования и контроля процесса обеззараживания полностью
автоматизирована.
Технология хлорирования
Хлорирование поверхностной воды осуществляют в традиционной реагентной
двухступеиной схеме водоподготовки на начальном этапе очистки в смесителях
(первичное хлорирование) и в резервуарах чистой воды (вторичное хлорирование).
Первичное хлорирование производят с целью предварительного обеззараживания
и поддержания сооружений водоподготовки в надлежащем санитарно-техническом
состоянии, а также улучшения процесса коагуляции. На конечной стадии обеззараживание
применяют как хлорирование, так и его сочетание с аммонизацией с целью ее
дезодорации и увеличения продолжительности бактерицидного действия при
транспортировании воды потребителю. Окончательное обеззараживание осуществляют в соответствии
с СанПиН с концентрацией остаточного свободного хлора 0,3-0,5 мг/л после контакга с
водой в течение 30 мин. Концентрация связанного хлора - 0,8-1,2 мг/л после контакта с
водой в течение 60 мин. При содержании свободного и связанного хлора контроль ведут
по свободному хлору, если его содержится более 0,3 мг/л или по связанному хлору,
если свободного хлора менее 0,3 мг/л.
Ориентировочно принимают дозы хлора при первичном хлорировании до 3-5 мг/л
и после фильтрования - 0,75-2,0 мг/л при заданной продолжительности контакта.
Надлежащий эффект обеззараживания (99%) обеспечивают остаточной дозой свободного
активного хлора в форме HOCI при величине рН<6,0 и гипохлорит-иона OCI- при
рН = 7-9 в количестве 0,3-0,5 мг/л или остаточной дозой «связанного» хлора в
количестве 0,75-2,0 мг/л в форме монохлораминов и дихлораминов. Дозу хлора в этом случае
определяют по кривой хлоропоглощаемости после «точки перелома».
Хлорное хозяйство
Хлор доставляют на водопроводные станции в жидком виде в баллонах, тенках и
железнодорожных цистернах в зависимости от производительности установки. Для
станций производительностью более 15 кг хлора в час (производительность по воде
более 60 тыс.м^/сут) предусматривают установку для перелива жидкого хлора из
железнодорожных цистерн. В этом случае хлорное хозяйство включает:
- пункт перелива жидкого хлора из железнодорожных цистерн (вместимостью
406

48-56 т хлора) в стальные тенки (сосуды-хранилища) емкостью до 35-45 м^;
- отделение с сосудом-мерником;
- отсек испарителей;
- отсек буферных сосудов;
- газораспределительный отсек;
- вентиляционный отсек;
- отсек воздушных компрессоров с осушительной установкой;
- теплопункт;
- местный диспетчерский пункт.
Жидкий хлор из железнодорожных цистерн передавливают компрессорами ВК-25
в автоматическом режиме с давлением 2-3 кгс/см^ предварительно очищенного воздуха
в тенки, а затем в сосуд мерник. Из него жидкий хлор по полимерным трубопроводам
поступает в испарители, откуда хлор-газ по наземным (преимущественно) или
подземным стальным хлоропроводам (диаметром 57 мм с толщиной стенки 6 мм) поступает в
хлорораздаточные. В них хлораторами осуществляют его дозирование, смешение с
водой. Затем хлорная вода поступает в смеситель и контактный резервуар.
Применяют два вида испарителей: проточные змеевиковые производительностью
200-400 кг/ч, находящиеся на расходных складах, и емкостные испарители объемом 360,
400, 2000 л, находящиеся в хлораторных на очистных сооружениях.
Для дозирования в воду хлора также используют хлораторы, главным образом
вакуумного типа. Процесс дозирования хлора осуществляют автоматическими системами.
Расчетный расход обеззараживаемой воды определяют для суток максимального
водопотребления (Qp м^/сут). Часовой расход, м^/ч, обеззараживаемой воды равен:
9.-^/24
A6.4)
На рис. 16.1 - 16.3 приведена принципиальная схема дозирования и общие виды
хлоратора АХВ-1000, в том числе с системой автоматического регулирования расхода
газообразного хлова (САР-РХ) фирмы «Кравт».
Ф
Сигнальное устройство
GSM система
контроля газа Подача водь
Детекторы дыма
Хлорная вода
Инжекторы
Высокочасютный ^^|1__ I
ирсобразоватсль ^^"^-il
Хлоратор V2000
Цистерны с хлором
Рис. 16.1. Узел дозирования жидкого хлора
407

(
1
Ш
Я.
ия
?
Рис. 16.2. Принципиальная схема (а) и общий вид (б) хлоратора АХВ-1000:
1 - кран запорный; 2 - кран регулирующий; 3 - фильтр; 4 - камера мембранная; 5 - манометр;
6 - ротаметр; 7 - рефлектор; 8 - смеситель; 9 - клапан; 10 - эжектор; 11 - ввод хлора; 12 -
подача нехлорированнон воды; 13 - хлорированная воды; 14 - дренаж

Технологический
слив
чы:
г
Хлорогаз
Хлорированная вода
Аварийный
"слив
Нехлорированная вода
Рис. 16.3. Технологическая схема хлорирования воды хлоратором АХВ-1000 с САР-РХ;
1, 2, 6,7 , 15, 16, 17 - вентили; 3 - АСХВ; 4 - манометр; 5 - фильтр; 8 - вакуумный регулятор;
9 - ротаметр; 10 - ЭМДВ; 11 - обратный клапан; 12 - динамический клапан (смеситель); 13 -
водяной затвор; 14 - эжектор; 18 - коллектор; 19 - блок контроля аварийных ситуаций; 20 - пульт
(компьютер) диспетчера; 21 - аварийная сигнализация
Производительность и габаритные размеры ранее выпускаемых хлораторов
ЛОНИИ СТО и ЛК приведены в таблице 16.3.
Расчет хлораторной установки с жидким хлором.
Расчет хлораторной установки состоит в определении часовой потребности хлора,
количества рабочих и запасных хлораторов, числа потребных баллонов или бочек.
Эффект обеззараживания - 99,9%, удельный расход электроэнергии на 1 кг активного
хлора - 7-10 кВтч/кг, расход воды на эжектор - 5-10 м^/ч, минимальное давление перед
эжекгором 1,5 кгс/см^, смешение с основным потоком воды - в РЧВ.
Хлорирование воды из поверхностного источника осуществляют оптимальной
предварительной дозой Д, = 3-5 мг/л при поступлении воды на водоочистную станцию
408

и дозой Дг ~ 0,75-2,0 мг/л для обеззараживания после фильтрования. Режим
окончательного хлорирования в контактных камерах РЧВ: доза активного хлора- 1 г/м^, время
контакта - в течение 30 мин до остаточного содержания активного хлора в питьевой воде
0,5-0,7 г/м^. Значения оптимальных доз определяют на основании пробного
хлорирования и вида остаточного активного хлора.
Таблица 16.3
Технические характеристики вакуумных хлораторов
Тип
хлоратора
ЛОНИИ-
100 с
ротаметром
РС-3
ЛОНИИ-
100 с
ротаметром
РС-5
ЛК-Юм
ЛК-106

Производительность по
хлору, кг/ч
0,08-2,05
1,28-20
0,4-0,8
2-20
Диаметр
патрубка,

подводящего воды
к
эжектору, мм
25
50
50
50
Габаритные размеры, мм
высота
830
830
630
800

ширина
650
650
230
370
глубина
160
41
160
250
Масса, кг
41
12,5
15
Общий часовой расход хлора, кг/ч, равен:
С^=ШО-\Д,+Д,)д^
A6.5)
Разработаны проекты типовых хлораторных установок производительностью 2; 5;
12,5; 25 и 50 кг хлора в час. Хлораторные установки производительностью более 50 кг/ч
разработаны по индивидуальным проектам. В хлораторных устанавливают стальные
бочки и вакуумные хлораторы. Количество хлораторов предусматривают не менее двух
(плюс 50% резервных от числа действующих хлораторов).
Хлораторные установки с хлорреагентами. Вместо жидкого хлора используют
хлораторные установки с хлорной известью (до производительности менее 3 тыс.мЗ/сут), с
товарным и электролизным гипохлоритом натрия, диоксидом хлора и гипохлорнтом
кальция (на станциях любой производительности). Узел получения и дозирования
диоксида хлора приведен на рис. 16.4. Получение СЮз происходит по реакади:
4НС1 -f NaClO^ = 2CI2 + NaCl -н гН^О
или 8NaC102+8HCl->6C102+Cl2+8NaCl-f4H20
Принцип электрохлорирования состоит в получении гипохлорита натрия путем
электролиза раствора хлорида натрия.
Хлориды окисляются на аноде до хлора:
409

2Cr->Cl2 + 2e
Cl2 + H20->HCl + HC10
Иоиы натрия восстанавливаются на катоде:
2Na* + 2ё -> 2Na
При этом образуются гидрат окиси натрия и водород:
2Na' + Ш^О -^ 2NaOH + Н^ t
Образующаяся на аноде соляная кислота и хлорноватистая кислота
взаимодействуют с получаемым на катоде гидратом окиси натрия, в результате чего образуются
хлорид натрия и гипохлорит натрия:
NaOH + нею -> NaClO + Н^О
NaOH + HCl-^NaCl + H^O
Полную реакцию можно записать следующим образом:
2NaCl + H20->NaC10 + NaCl + H2t
4
V
17
Hcl

18
ЫаСЮг
Рис. 16.4. Узел получения и дозирования диоксида хлора:
1 - водомер; 2 - водопроводная магистраль; 3 - байпасная линия A-2 м^/ч); 4 - байпасный иасос;
5 - Трубопровод контроля расхода воды; 6 - соленоидный дозирующий иасос; 7 - ротаметр;
8 - реактор; 9 - дозирующий вентиль; 10 - смеситель; 1J - запорный вентиль; J 2 -
вентиляционная труба; 13 - всасывающее устройство; 14 - байпасный регулятор; 15 - обратный клапан;
16 - контроль с передачей уровня на дисплей; 17 - НС1; 18 - NaC102; 19 - блок измерения CIO2;
20 - датчик CIO2; 21 - монитор значений расхода воды; 22 - скользящий контакт; 23 - промывной
вентиль; 24 - контактная емкость (продолжительность 10-15 мнн)
410

Принципиальная схема получения электролизного гипохлорита натрия
предусматривает использование рафинированной (99,8%) поваренной соли в виде
первоначального рассола концентрацией 200-310 г/л, разбавленного перед электролизерами
умягченной подогретой технической водой до солевого раствора 20-40 г/л. Вариантом является
использование артезианской минерализованной воды с концентрацией поваренной соли
до 2 г/л с жестокостью менее 7 мг-экв/л. Установки работают в периодическом или
проточном режимах.
Состав установок стандартный: бункер-сагуратор для получения
концентрированного раствора NaCl с автоматическим контролем уровня, бак разбавленного рабочего
раствора, бездиафрагмовые электролизеры, насос-дозатор разбавленного раствора,
емкость для накопления гипохлорита натрия (также с автоматическим котролем уровня),
насос-дозатор раствора NaClO (концентрацией 6-8 г/л) в обрабатываемую воду, узел
умягчения и подогрева технологической воды, трансформатор, выпрямитель, пульт
управления, система вентиляции, узел периодической промывки от отложений в
электролизерах 3% раствором НС1 (рис. 16.5, 16.6).
Рнс. 16.5. Конструктивная схема электролизной установки
ЭН-25 Коммунальник (НИИ КВОВ) г. Москва:
1 - бак для приготовления раствора NaCl; 2 - электролизер; 3 - бак-накопитель гипохлорита
натрия; 4 - шкаф управления; 5 - вентилятор
При электролитическом получении гипохлорита натрия применяют титановые
окисно-рутеневые аноды - ОРТА с активной массой на анодах, достаточной на 2-4 года
нормальной эксплуатации.
При использовании электродов ОРТА концентрация хлоридов в рабочем растворе
рекомендуется принимать в пределах 30-35 г/л, плотность тока / <. 1000 А/м^,
напряжение i/o=5B.
При расчете электролитных установок определяют:
заданную степень разложения соли:
?^ = ГС_^ /С^аС.;100%;
A6.6)
потребную токовую нагрузку У„, в Амперах:
411

J =
A-{]t
A6.7)
где: G = —-—, кг - количество активной массы, теоретически вьщеляемое при электролизе;
Э - электрохимический эквивалент, г/Ач; п - число работающих анодов;
/-продолжительность работы электролизера, ч; J„ - полная сила тока, подаваемого на электролизер, А.
7
Рис. 16.6. Технологическая схема электролизной установки
«ХЛОРЭ1Л-2000» фирмы «САР» (г. Москва):
1 - узел растворения соли (NaCI) с баками для приготовления раствора и насосом для
перемешивания и подачи; 2 - злектролизиая емкость; 3 - трубчатый электролизер; 4 - блок кислотной
промывки; 5 - бак-накопитель готового раствора; 6 - вентилятор; 7 - подача водопроводной воды;
8 - отвод газов
Требуемая площадь электродов в электолизере определяется по формуле:
S=J/i,M2, A6.8)
где: / < 700 А/м^ - рекомендуемая плотность тока.
Выход по току и удельные затраты при различной концентрации NaCl определяют
по графикам, приведенным на рис. 16.7.
Получаемый гипохлорит натрия не требует особых мер предосторожности при
хранении в емкости, рассчитанный на 24 часовую работу дозировочного насоса. При
заполнении емкости автоматически прекращается подача электроэнергии и раствора соли в
электролизеры. При заданном низком уровне раствора в резервуаре-накопителе
автоматически включаются электролизеры. В емкость подают вентилятором воздух для
регулирования содержания в воздушной подушке Н2, не более \% по объему.
Указанную технологию широко применяют фирма «OSEC» (Великобритания), АО
«Трейлигаз-Рус» (Франция) на станциях любой производительности, фирма Электро
Селл (Швеция, фирма «САР» (г Москва) с использованием установок
производительностью соответственно до 48 и 42 кгС12/сутки, фирма «Юпитер» (г. Санкт-Петербург).
Получившая широкое распространение в России электролизная установка ЭН-25
412

(рис. 16.5) «Коммунальник» производительностью 25 кгС12/сутки работает на
технической соли без подогрева и умягчения водопроводной воды жесткостью до 7 мг-экв/л.
Потребляемая электрическая мощность - 13 кВт, расход сьфья на 1 кг активного хлора
- 8 кг, удельный расход электроэнергии - 8-10 кВтч/кг
70
# 60
S 50
g
о 40
§ 30
I 20
10
о
5
Uo, В
Рнс. 16.7. Зависимость выхода хлора по то1су(а) и удельных энергозатрат
от концентрацнн NaCI (б)
Ячейки электролизера зарубежных установок имеют трубчатую конструкцию
диаметром 150-200 мм, длиной 1200 мм, соединяемых последовательно до 4 шт. В каждой
ячейке количество анодов и катодов не более 27 шт. в виде параллельных пластин с
минимальным зазором 0,7 мм. Аноды выполнены из титана с покрытием из рутения
(ОРТА), катоды ~ из нержавеющей стали или материала ХАСТЭЛОЙ (Франция).
Производительность зарубежных действующих установок от менее 2 до 37,8 кг/ч (на расход
воды до 450-600 тыс.м^/сут). Отечественные установки БН-25 (НИИ КВОВ) и
ХЛОРЭЛ-2000 (ИПФ «САР») имеют производительность соответственно 25 и 48 кг/сут.
Установка БН-25 характеризуется удельными показателями из расчета на 1 кг NaClO -
расход электроэнергии 8-10 кВтч, соли - 8-9 кг Стоимость установки - 6000 у.е.
В таблице 16.4 приведены технические характеристики электролитических хлора-
торных установок Шведской фирмы, а в таблице 16.5 дано сопоставление
характеристик шведской и отечественной установок аналогичной производительности.
Отечественная установка прямого электролиза НПФ ЮПИТЕР
производительностью 18 кг/сут. (действует с 1997 г. в пос. Пролетарий Новгородской обл.) работает на
артезианской минерализованной воде с содержанием NaCl - 2 г/л.
Удельный расход на 1 кг NaClO - электроэнергии 2,5 кВтч, воды - 4 м', воздуха -
20 м'. Срок службы ОРТА - 2-2,5 года, промывка электролизеров - 3% НС1 через 2-4
месяца, механическая очистка зазоров - через 5-15 суток.
Токовая нагрузка на электролизеры в амперах определяется по формуле:
общ
юоов
A6.9)
где В - максимальная часовая производительность электрохимической установки, кг/ч;
а - электрохимический эквивалент хлора, равный 1,32 г/А-ч; k - коэффициент,
учитывающий влияние величины скорости движения электролита 0,8 м/с между электродами,
равный 0,8-0,9; h - выход хлора по току, равный 0,2-0,3; к^ - коэффициент,
учитывающий содержание в воде сульфатов и хлоридов, равный:
413

к=-
1+с,,./с,,
A6.10)
где С - коэффициент сульфатов и хлоридов, мг-экв/л.
Таблица 16.4
Техническая характеристика электролитических хлораториых установок фирмы Electro Cell
Chemetor Engine Group (Швеция)
Наименование
показателей
I
Номинальная

производительность установки
по хлору Clj, г/ч
Clj, кг/сут
Расход NaClO,
л/ч
@,6-0,8%), л/сут
Поток рассола
ЫаС!C10г/л),
л/ч
Расход NaCl,
кг/ч
Расход NaCl,
кг/сут
Уд. расход NaCl
на 1 кг
активного хлора, кг
Расход воды, л/ч
Расход воды,
л/сут
Расход воды,
л/кг Clj
Потребляемая
мощность, кВт
Удельный
расход электро-
эиергин,
кВтч/кг Clj
Напряжение, В
Сила
постоянного тока, А
Элеетропита-
ине/частота
тока, В/Гц
Количество фаз
Производительность установок системы Chlor-o-sabe
2
80
1,92
10,75
258
0,75
0,23
5,58
3
160
3,84
21,5
516
1,5
0,47
11,16
4
240
5,76
32,25
774
2,25
0,7
16,74
5
320
7,68
43
1032
3
0,93
22,32
6
480
11,52
64,5
1548
4,5
1,4
33,48
7
640
15,36
86
2054
6
1,96
44,64
8
800
19,2
107,5
2580
7,5
2,53
55.8
9
960
23,0
129
3096
9
2,79
66,96
10
1280
30,72
172
4128
12
3,72
89,28
11
1440
34,56
193,5
4644
13,5
4,19
100,4
4
12
1600
38,4
215
5160
15
4,65
111.6
13
1750
42,2
236,5
5676
16,5
5,11
122,6
2,9
10,75
258
21.5
516
32,25
774
48
1032
64,5
1542
86
2064
107.5
2580
129
3096
172
4128
193,5
4644
215
5160
236,5
5676,6
134,4
0,55
6,8
6
100
1,09
6,8
6
200
1,64
6,8
6
200
2,05
6,4
6
200
3,07
6,4
6
600
4,1
6,4
9
400
5.12
6,4
15
1000
5,79
6,6
15
400
7,72
7,7
18
400
8,68
8,6
15
600
220/50
1
1
1
1
3
3
3
3
3
3
9,11
5,7
24
400
10
5,7
6
1000
310/50
3
3
414

Таблица 16.5
Технические характеристики установок электролитического получения гипохлорита натрия про-
изводительнсотью 42-48 кг С12/сутки
Характеристика установки
Максимальная производительность по акти в-
ному хлору, кг/сут
Расход 0,6-0,8% раствора NaClO по активному
хлору, г/л
Концентрация NaClO по активному хлору, г/л
Концентрация рассола NaCl, г/л
Поток рассола NaCl, г/л
Концентрация разбавленного раствора NaCl, г/л
Расход NaCl на 1 кг активного хлора, кг
Рабочее напряжение на электродах, В
Рабочий ток, А (max)
Потребляемая мощность, кВт
Уд. расход электроэнергии на 1 кг активи ого
хлора, кВт-ч
Уд. расход воды на 1 кг CI2, л
Температура подогрева воды, °С
Габаритные размеры электролизера, м
Масса, кг
Себестоимость установки, $
ХЛОРЭЛ-2000, Россия
48
250, периодический,
6 циклов в сутки
по 4 часа
8
120
83,3
40
5
27-32
250
7-8
4-8
250
15-25
1,65x1,95x1,02
250
9000
Chlor-0-sabe,
Швеция
42,2
236,5,
непрерывный
6
310
16,5
20-30
2,9
6
1000
10
5,7
134,4
10-25
-
-
Требуемая, рабочая площадь анодной (катодной) поверхности, м^, равна:
S^IoeJi '
A6.11)
где / - анодная плотность тока, равная от 200-400 до 1000 А/м^.
Площадь катодов принимают равной площади анодов. Величина электродного
расстояния - 0,7-6 мм. Напряжение на разрядный промежуток Ц от 5-7 до 40 В. Разрядный
ток на ячейку от 3-8 до 35 А. Требуемая мощность N= Щ- /„s^N.^ (где N- число пар
электродов).
Характеристика используемой поваренной соли.
Для эффективного электролиза используется рафинированная гранулированная
поваренная соль пищевого качества с содержанием чистого NaCl не менее 99,8%.
Характеристика используемой соли:
хлорид натрия - более 99,82%;
сульфат кальция - менее 0,14%;
сульфат магния - менее 0,02%;
хлористый магний - менее 0,01%;
марганец - отсутствие;
нерастворимые соединения - менее 0,01%;
бромиды - менее или равно 200 мг/кг соли;
железо - менее или равно 3 мг/кг соли.
415

Концентрации тяжелых металлов ограничены и гарантированы поставщиками в
следующих количествах:
мышьяк - менее или равно 0,5 мг/кг соли;
медь - менее или равно 0,5-2 мг/кг соли.
Наименьшие удельные затраты электроэнергии и технической соли достигнуты в
установках типа «Аквахлор» АО «Экраю> (п Москва) производительностью от 0,4 до
5 ktCIj/h. в них применены электроды в виде соосно расположенных катода, анода и
перегородки, образующих трубчатую электрохимическую ячейку. Ячейки монтируют в
модули необходимой производительности. «Аквахлор А-100» производительностью
8,6 кгС12/ч имеет мощность 1,6 кВт, удельный расход соли на 1 кг активного хлора
2 кг/кг, электроэнергии - 2 кВтч/кг. Исходный раствор NaCl имеет концентрацию
3-5 г/л. Обеззараживание питьевой воды с использованием естественного содержания
NaCl осуществляется по схеме: анодная камера, контактная емкость - фильтр ГАУ -
катодная камера. Принципиальная схема автоматического дозирования гипохлорита
натрия приведена на рис. 16.8.
Рнс. 16.8. Принципиальная схема
автоматизированного дозирования гипохлорита натряя в
зависимости от расхода и качества воды по
величине остаточного хлора:
I - бак-иакопитель гипохлорита натрия; 2 - аиали-
затор остаточного хлора; 3 - измеритель расхода
обрабатываемой воды; 4 - суммирующее
устройство; 5-7 - регулирующие устройства расхода
воды, остаточиого хлора, расхода гипохлорита
натрия; 8 - исполнительный механизм; 9 - эжектор;
10 - регулятор расхода гипохлорита натрия;
II - измеритель расхода гипохлорита натрия
Хлорирование воды из подземных водоисточников производят оптимальной дозой
жидкого хлора или хлоропродукгов перед подачей воды в водораспределительную сеть.
Основной запас хлора хранят вне территории станции на расходном складе,
рассчитанном на одномесячную потребность.
Хлораторная установка должна отвечать требованиям норматива Госстандарта
России «Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и
применении хлора» (ПВХ-93).
16.3. Ультрафиолетовое облучение очищенной воды
Обеззараживание УФ-облучением является наиболее распространенным в России
методом обеззараживания подземных вод высокого качества на установках
производительностью от 20 до 500 тыс.м'/сут. Эффективность этого метода проверена в
традиционных реагентных схемах очистки поверхностных вод на стадии первичного
обеззараживания волжской воды, что позволило значительно снизить дозу хлора на стадии
окончательного хлорирования. Широкого опыта применения УФ-облучения взамен
вторичного хлорирования пока нет.
416

в зарубежной практике УФ-облучение применяют на ряде крупных станций как
при самостоятельном первичном и вторичном хлорировании, так и в сочетании с
озонированием (в Европе, США и Канаде).
В нашей стране также имеется современное эффективное оборудование для
обеззараживания поверхностных и подземных вод любой производительности.
Для обеззараживания природных вод используют бактерицидные
ультрафиолетовые лучн с длиной 205-315 им. Максимальным бактерицидным эффектом обладает УФ-
излучение в радиусе - 3 см с длиной волны 250-290 нм. Его обеззараживающее
воздействие обуслоапено повреждением болезнетворных молекул за счет фотохимической
лучистой энергии.
Степень инактивации микроорганизмов уф-облучением описывается уравнением:
Ы = Ы,е-Д/К , A6.12)
где N и Nq- соответственно число бактерий в единице объема после и до облучения;
Д - доза облучения, мДж/см^; К - коэффициент сопротивляемости бактерий.
Схема типовой установки обеззараживания питьевой воды УФ-облучением дана на
рис. 16.9. Возможные варианты включения ее в технологическую схем)' водоподготов-
ки показаны на рис. 16.J0.
Основными исходными данными для расчета УФ-установки являются:
максимальная часовая производительность по воде д^, м'/ч; минимальная интенсивность
бактериального излучения Е, мВт/см^; коэффициент Г использования интенсивности в потоке,
0,7-0,9 ед.; эффект обеззараживания Э, 99,9 %; доза облучения Д, не менее 16 мВтс/см^;
время пребывания воды в камере t, с. Расчетные величины: требуемая мощность
излучения Л^ц, Вт; объем камеры W, м'; число ламп п заданной мощности.
Расчетные формулы:
M = E-t . A6.13)
где / - принимают равным не менее 10 с.
t = -^ A6.14)
278?,
где S - поперечное сечение камеры обеззараживания, см^; L - длина камеры
обеззараживания, см; ^„-расход воды, м^/ч.
Размеры камеры обеззараживания (длина и поперечное сечение) даны в паспорте
установки. Число камер определяется с учётом формулы A6.15)
" = -^, A6.15)
где N^ N„ - даны в паспорте установки.
Контроль выработки ресурса ламп производят по показателю датчика времени.
Контроль исправности УФ-ламп производят по индикатору исправности ламп.
14-9858 417

—Xhr*
Подача воды X
'iT Камера УФ обез
о 1 лапяживания
В Л1)енаж
-fX-
Блок
ПРА
— ^управления
Шкаф
.Q * 380/220 В
-О E0 ПО
П дренаж
-|ХМ=ь->
Отвод
обсз;1араженн^й
воды
П дренаж
Щавелевая
кислота
Бак
В дренаж
^б-i-
«-txl-
Насос для промывки
Рнс. 16.9. Типовая установка обеззараживания питьевой воды УФ облучением:
1 - промывка камеры обеззараживания; 2 - пробоотборники; 3 - опорожнение УФ установки;
4 - опорожнение промывочного бака; 5 - воздушник; 6 - блок промывки; 7 - водомер; ПРА - блок
пуско-регулирующей аппаратуры с даггчиком контроля дозы УФ
Обеззараживающий эффект УФ-облучения выше, чем хлорирования и
обеспечивает инактивацию как обычных патогенных вегетативных и споровых кишечных
бактерий, так и вирусов, в частности, гепатита А и Е, полиомиелита и других. В таблице 16.6
приведена сопротивляемость различных видов микроорганизмов УФ-облучению. Для
бактерий доза изменяется от 3,8-4,2 до 12 мВт/см^; для энтеровирусов - от б до
24 мВт/см2; для цист простейших - 120-248 мВт/см^. Значения доз облучения
приведены для 99,9% инактивации микроорганизмов в лабораторных условиях. Минимальная
доза облучения в производственных условиях должна быть 16-25 мВт/см^ при высоком
качестве воды, аналогичном как перед обеззараживанием хлором в РЧВ. Передозировка
УФ-облучения не вызывает отрицательных последствий в технологии водоподготовки.
Для инактивации вирусов коксакки, полиовируса типа 1 необходима инактивирую-
щая доза примерно в 6 раз больше, чем для Е-СоИ. Истинным нормативным
показателем эффективности процесса обеззараживания по патогенным бактериям и вирусам
является только бактериологический анализ по величине индекса колифага.
Технологическая схема применения УФ-облучения на зарубежных водопроводных очичтных
станциях приведена на рис. 16.10.
Основные характеристики процесса: напряжение питания 220 или 380 В,
оптимальная длина волны - 254±5 нМ, минимальная энергия активации (доза) - 16 мВт/см^,
экспозиция мгновенная - 8-50 с, слой воды на излучателе -до 800-1000 мм. Расход
электроэнергии на обеззараживание подземной воды не превышает 10-15 Втч/м^, поверх-
418

ностной обработанной воды - до 30 Втч/м^. Это на порядок ниже затрат на химические
методы обеззараживания.
а) б) в)
Непрерывные Периодические Непрерывные Периодпческие Непрерывные Периодпческао
проаессы
ЗаСюр воды I
I Осветление |
Коаг>'лянт.
Флокулянт
■ Фильтра идя
Г
I УФ'обсолараживпцие!
[Хлор tip овапие
I Потрв6лен/(о|
процессы
ироцессы
Забор воды
рФ -обсэзарамшванпЦ
процессы
I Забор воды]
I—J.—I
процессы
Огстанвание
i
Коагулянт
Флокулянт
С\2
Коагулирование
Огсгаиванио
> ■
[Ооонпроваяно!
Фильтрация)
Фильтрация
ГАУ
I
Хлор1фоваяие1
;
[Уфобеззараживание!
|Потре6ление|
Хлорамины
Рнс. 16.10. Схемы оптимизации обеззараживании
воды с использованием УФ-облучеиня:
а - схема очистных сооружений в Лондоне (Англия), Форте Бентоне (США), Среднеуральске
(Россия); б - то же, в городах Тольятти и Отрадном (Россия); в - то же, в Роттердаме (Нидерланды),
Хельсинки (Финляндия)
Таблица 16.6
Дозы УФ-облучения для инактивации на 3 порядка (99,9%) бактерий, вирусов и простейших,
присутствующих в природной воде /4/
Вид микроорганизмов
Бак/г
Escherichia Coli (E.Coli)
Proteus Vulgares
Legionella pneumophilia
Pseudonomus aueriginose
Salmonella entorilidis
Salmonella paratyphi
Salmonella typhosa
Shigella flexneri
Shigella dysentieriae
Vibrio cholerae
Вир
Bacteriophage (E.Coli)
Virus Poliomyelitis
Hepatitis Virus
Rotavirus SA
Poliovirus Stratins (tes organism)
Прост
Giardia Lamblia
Giardia muris
Доза УФ-облучения, мВт-с/см'
ерии
9-12
7,3
3,3
11,5
6,1
6,1
7,5
4,2
8,8
10.2
усы
10,8
6-15
8-11,1
24
ейшие
120
246
Надежность инаетивации патогенных бактерий и вирусов УФ-облучением при
соответствующих дозах доказана в лабораторных и производственных условиях.
419

При дозе облучения 16-25 мВтс/см^ метод УФ-облучения обеспечивает 99,99-100%
инактивацию воды при исходных индикаторных показателях загрязненности: общее
микробное число - 35 до 22-103 кл/мл, общие колиформные бактерии -до 2000 ед/100 мл,
термотолерантные колиформные бактерии - до 200 ед/100 мл, колифаги-до 15 ед/100 мл.
В состав установки по обеззараживанию входят: камера дезинфекции с блоком пу-
скорегулирующей температуры, пульт упраапения, сигнализация, блок промывки
камеры дезинфекции от отложений, блок контроля интенсивности УФ-излучения. Установка
работает в автоматическом режиме.
НПО ЛИТ разработаны типовые установки различной производительности
(от 10 до 1000 и более м'/ч) для использования при водоподготовке поверхностных и
подземных вод.
Все оборудование комплектуется бактерицидными лампами низкого давления.
Таблица 16.7
Характеристики установок УФ-облучение НПОЛИТ
УДВ-10/2-А4
УДВ-50/7-А1
УДВ-100/14-А1
уде-150/21-А1
УДВ-1000/144-В2
10 м'/ч
50 mVh
100 м^ч
150м'/ч
1000 м^/ч
0,2 кВт
0,6 кВт
1,2 кВт
1,8 кВт
26 кВт
1400 x680 x290 мм
1400x520x420 мм
1400 X 1080 X 420 мм
1400 X 1520 x420 мм
3700 X 1700 X 1600 мм
Для обработки поверхностных вод предложена установка УДВ-1000/288-ВЗ -
1000 мз/ч - 26 кВт размерами 3700 х 1700 х 1600 мм.
Выбор оптимальных доз, проектирование, привязку УФ-установок, пуско-наладочные
работы и гарантийное обслуживание осуществляют специалисты НПО ЛИТ.
Качество дезинфицируемой воды должно отвечать требованиям СанПиН, иметь
мутность не более 1 мг/л и дисперсность частиц - не более 5 мкм.
Расчетные данные, заложенные в установки ЛИТ:
- минимальные дозы излучения - 16-25 мВт/см^;
- гарантийный ресурс работы ламп - 8000 часов при спаде интенсивности
излучения к - концу этого срока не более 15%;
- рабочая температура лампы - 40 °с;
- оптимальная длина волны - 254±5 нм;
- слой воды на излучателе - до 800-1000 мм;
- экспозиция (мгновенная) - 8-50с;
- напряжение тока питания - 220 или 380 В;
- эффект окончательного обеззараживания - не менее 99,9% A кл/л по коли-индексу);
- то же предварительного обеззараживания - 99% (< 10 кл/л после фильтра);
- гарантия обеспечения бактериальной надежности в водоводах и сети
обеспечивается введением активного хлора с остаточной дозой 0,3-0,5 мг/л;
- коэффициент поглощения облучаемой подземной воды - 0,15 см-';
- коэффициент поглощения обработанной поверхностной воды - 0,30 см';
- коэффициент использования бактерицидного потока - 0,9;
- коэффициент использования бактерицидного излучения - 0,9;
- потери напора в установке - 0,5 м;
- принимают не менее двух параллельно работающих установок и одну резервную.
420

Интенсивные источники УФ, спектр излучения которых обеспечивают
максимальный бактерицидный эффект, представляют значительный интерес для технологии водо-
подготовки.
Как правило, УФ - технология очистки и обеззараживания воды базируется на
использовании ртутных ламп низкого давления, излучение которых сосредоточено на 90%
в линии 254 им. Благодаря высокой энергетической эффективности бактерицидные
ртутные лампы остаются наиболее используемым источником УФ, который находит
широкое применение в технологии водоподготовки. В то же время, интенсивность таких
источников УФ ограничена из-за самопоглощения в парах ртути. При этом
интенсивность УФ сильно зависит от рабочей температуры лампы. Кроме того, этот источник УФ
обладает далеко не оптимальным для бактерицидных целей спектром излучения.
Известно, что спектр фотопоглощения нуклеиновых кислот является широкополосным
A70 - 300 нм) и имеет два максимума: на длине волны 265 нм, на который
сориентированы бактерицидные ртутные лампы B54 нм ), и более интенсивный пик
фотопоглощения вблизи 200 нм. Серьезной проблемой является утилизация экологически опасных
ртутных ламп.
В НИИ ядерной физики МГУ им. М.В. Ломоносова разработан газоразрядный
источник УФ импульсно-периодического действия, который является открытым и может
работать в окружающей атмосфере. УФ источник интенсивно излучает в спектральной
области 180-300 нм в течение 1-2 мкс с частотой следования вплоть до W Гц. Способ
организации разряда позволяет легко компоновать источник УФ с любыми
устройствами водоподготовки. Квазинепрерывная интенсивность источника УФ в спектральном
диапазоне 180-300 нм определяется источником питания и может регулироваться в
широких пределах. Вследствие этого бактерицидный эффект может быть достигнут за
время 1-10 секунд. В отличие от известных бактерицидных ламп предлагаемый источник
УФ экологически безопасен. В конструкции УФ источника не используются
дорогостоящие оптические материалы УФ диапазона. Проведены микробиологические
испытания плазменного источника УФ и получены положительные отзывы.
16.4. Обеззараживание воды озоном
Зарубежный и отечественный опыт применения озона в водоподготовке
загрязненных поверхностных и подземных вод свидетельствует о его комплексном воздействии
на очищаемую воду, включая и обеззараживание.
Для обеспечения эффективной инактивации как вегетативных, так и споровых
бактерий, а также вирусов необходимо предварительное глубокое обесцвечивание воды до
8-10 град, осветление до 1 мг/л и отсутствия частиц взвеси с крупностью более 5 мкм.
Обеззараживающая доза озона составляет порядка 5 мг/л при продолжительности
контакта 5-10 мин и величине остаточного озона 0,3-0,4 мгОз/л.
Несмотря на то, что Oj является очень сильным обеззараживающим агентом,
использование его на конечной стадии водоподготовки не исключает последующего
риска повторного загрязнения микроорганизмами. Так, остаточный О3 в количестве
0,4 мг/л разлагается менее чем за 1 ч. Это может привести к тому, что в очищенной
воде после разложения озона наблюдается усиление активности бактерий и рост их числа
в протяженных водоводах и распределительных сетях.
421

Озон значительно уменьшает дозу хлора для обеззараживания и пролонгирует его
действие. Необходимое время контакта озоно-воздушной смеси с водой - не менее
20-30 минут.
Озонирование как специальный метод обеззараживания питьевых вод
осуществляют в сочетании с другими методами: хлорированием уменьшенными дозами и
мембранной технологией.
Расчет озонаторной установки для обеззараживания питьевой воды
Метод озонирования целесообразно применять для обеззараживания любых
расходов очищенных поверхностных, подрусловых и подземных вод, загрязненных
устойчивыми к инактивации видами патогенных спорообразующих бактерий и энтеровирусов.
В технологии водоподготовки обеззараживание чвстично осуществляют на этапе пре-
озонирования и окончательно - на этапе дезинфекции.
Озонаторная установке может работать на атмосферном воздухе и жидком
кислороде. В первом случае установка включает: блок осушки и подготовки воздуха,
воздушный компрессор, генератор озона, блок водяного охлаждения генератора, реактор,
повышающий трансформатор, пульт управления, блок контроля озоно-воздушной смеси.
Работа установки автоматизирована. Во втором случае исключается блок подготовки и
осушки воздуха (рис. 16.11, 16.12).
», в атмосферу В атмосферу
Воздух ^j-p-jj
1^ @2+03)
в контактные
камеры
Рис. 16.11. Технологическая схема озонаторной станцнн:
1 - компрессор; 2,5 - ресиверы; 3 - адсорбер; 4 - фильтр; 6 - пылевой фильтр; 7 - редуктор давления;
8 - предохранительный клапан; 9 - кислородная установка PSA; 10 - трубчатый генератор озона
Газ (Ог+Оз)
Речная вода
2000^/4
Оз| В атмосферу
НЮ ,
Оз-ЩгС
Ч
N. /
^ч:
I
\
6
t=3eo'c
в атмосферу
НзО на с숫итель
Рнс. 16.12. Технологическая схема контактной камеры:
1 - контактная камера; 2 - радиальный диффузор; 3 - предохранительный клапан; 4 - насос;
5 - емкости с сернистым ангидридом; 6 - деструктор
422

Расчет производительности озонаторной установки производят по суммарной дозе
озона доз на указанных стадиях обработки и расчетному часовому расходу озонируемой
воды д^.
При предварительном озонировании озон расходуется на удаление органических и
неорганических веществ прежде, чем он будет затрачиваться на инактивацию
патогенных бактерий и вирусов.
Ориентировочно на преозонирование поверхностной воды (до коагуляционной
обработки) дозу озона принимают от 0,5 до 5 гОз/м^ в зависимости от загрязненности исходной
воды. Продолжительность контакга озоно-воздушной смеси с водой - от 10 до 20 мин.
Максимальные дозы озона 3-5 Юз/м^ в течение года колеблются по сезонам:
- в осенне-зимний период - 3-4 тО-^/м^,
- в весенний период ~ 5 Юз/м',
- в летний период - 5 Юз/м'.
В каждом случае требуется экспериментальное определение дозы озона.
При средней загрязненности исходной воды по органическим веществам,
соответствующей величине перманганатной окисляемости менее 8 мЮг/л, требуемая доза
озона равна 2 Юз/м^. При окисляемости около 10 мтО^л - 3 гОз/м^. Дозы 4-5 гОз/м^
необходимы при поступлении в воду залповых загрязнений по органическим веществам,
равных 15-20 мЮз/л, считая по перманганатной окисляемости.
Очищенная вода на стадии окончаггельного обеззараживания должна иметь
мутность ие более 1,5 мг/л, дисперсные примеси не более 5 мкм, цветность - до 20 град,
суммарное количество железа и марганца не более 0,1 мг/л, коли-индекс не более
1000 кл/л, ОМЧ - не более 10 кл/см', отсутствие цист простейших.
Расход озона на стадии дезинфекции обработанной воды составляет от 0,75-
1,0 Юз/м' (зимой) и 1-3 гОз/м' (летом). Продолжительность контакта от 4 до 10-12 мин.
На стадии обеззараживания значение произведения величины концентрации озона
С, в мг/л, на время контакта Т, мин, обычно принимают равным 1,6 (например,
поддержание остаточной концентрации озона С = 0,4 мг/л в течение 4 мин.).
Окончательное обеззараживание рекомендуют производить в контактных
резервуарах с двумя последовательными камерами. В первой обеспечивается химическая
потребность воды в озоне с остаточной концентрацией С = 0,4 мг/л, во второй - эта
концентрация поддерживается в течение требуемого времени 7=4 мин.
Эффект обеззараживания по патогенными бактериям и вирусам, включая наиболее
устойчивые вирусы гепатита и полиомиелита- 99,99-100%.
Концентрация озона в озоно-воздушной смеси - до 20 тОу/ы^. Коэффициент
использования озона - не менее 0,9. Время разложения остаточного озона в воде,
прошедшей дезинфекцию - менее 20 мин.
В России имеется ряд производителей озонаторного оборудования, технические
характеристики которых приведены в таблицах 16.8. - 16.10.
423

Таблица 16.1
Техническая характеристика озоногеиераторов «Мультизан» НТО «ОЗОН» г. Москва
Показатель
Производительность по озону,
г/ч
Концентрация озона, г/м''
Расход воздуха, нм''/ч
Напряжение:
основное, В
вторичное, кВ
Потребная мощность, кВт
Масса, кг
Габариты (длинахщиринах
хвысота), мм
Количество электродов, шт
Количество компрессоров, шт
310.10
10
20
0,5
220/380
6
1,35
50
бООхбООх
х250
14
1
Озоногенератор
310.50
50
20
2,5
220/380
6
1,65
230
1200x600
X
Х1200
32
1
310.100
iOO
20
5
220/380
6
3,3
280
1200x600
X
Х1200
63
1
310.200
200
20
10
220/380
6
6,8
420
1200x600
Х1500
148
1
310.500
500
20
25
220/380
6
10
1050
1200x162
Охх1800
344
3
Таблица 16.9
Основные характеристики озонаторов, производительностью по озону более 1 кг/ч
Производитель
ОАО «Кургаи-
химмаш»
(г.Курган)
Завод им. М.В.
Хруничева
(г.Моска)
НПО «Техозон»
(г.Дзержинск,
Нижегородской
обл.)
Предприятие
«КБ Химавто-
матика»
(г.Вороиеж)
Тип
озонатора
П-60
П-90
П-120
П-160
П-222
П-379
П-514
П-647
П-850
ОВМ-1
ОВМ-3
ТС-
1200
ТС-
1700
ТС-
2500
ТС-
3500
ОУ-1,5
ОУ-2
ОУ-5


дительность по
озону, кг/ч
1,5
2,6
3,65
4,8
6,7
11,5
15,6
19,6
25,8
1
3
1,2
1,7
2,5
3,5
1,5
2
5

Концентрация
озона,
г/м^
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
25
25
25
25
40
25
25
Рабочее
давление,
кгс/см
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
1
1
1
1
1
1
1,6
1,6
1,6

Потребляемая
мощность
(общая), кВт
15
35
47
64
68
151
203
258
338
20
65
25
34
50
70
30
40
100
Расход

воздуха,
нм'^/ч
75
130
235
315
435
745
1000
1275
1670
55
160
80
100
150
190
180
80
200
424

Таблица 16.
Техническая характеристика озонофильтровальных установок ОАО «Курганхиммаш»
Показатель
Производительность по
обрабатываемой воде
mVh (м^сут),
не более
Производительность по
озону, г/ч
Концентрация озоно-
воздушной смеси, г/м^
не более
Давление
обрабатываемой воды на выходе,
МПа (кгс/см^)
Электропитание, В/Гц
Установленная моще-
ность, кВт
Удельный расход
электроэнергии на обработку
воды, кВт-ч/м , не более
Габариты установки
(длинахширинахвысота),
м, не более
Масса транспортная, кг,
не более
Режим работы
Тип установки
Р6-0,5
0,5A2)
W
15
0,2 B)
380/50
1,7
0,4
1,7x0,6x0,86
450
Р6-6
6A44)
45
15
0,2 B)
380/50
8
0,4
2,7x2,0x2,5
1800
Р6-12
12B88)
45
20
0,2 B)
380/50
4,3
0,4
4,6x2,0x2,4
2800
Р6-25
25 F00)
400
20
0,2B)
380/50
23,1
0,4
4,5x2,0x4,6
5000
Р6-6П
6A44)
45
15
0,2 B)
380/50
5,5-8
0,4
2,0x2,4x2,0
12300
Автоматический
16.5. Физические методы интенсификации процессов обеззараживания
К числу перспективных физических методов интенсификации процессов
обеззараживания воды, разработанных в НИИ РАН, институте коллоидной химии и химии воды
АН Украины и других научно-исследовательских организациях относятся:
- усиление антимикробного эффекта катионов путем наложения электрического поля;
- использование ультразвука;
- применение элеюродиализа;
- прямой электролиз хлоридов, содержащихся в природных водах (особенно
высокоминерализованных);
- совместное воздействие уф-облучения и перекиси водорода;
- использование посеребренного активированного угля.
Теоретические основы бактерицидного воздействия постоянного электрического
поля объясняется повышением чувствительности микробных клеток к антимикробным
агентам. Действие постоянного электрического поля с напряженностью от 30 до 10 В/см
на бактерии Ecoli, осуществляемое в электролизере с графитовыми электродами,
наиболее сильно проявляется при наличии в воде катионов серебра, меди, цинка, железа (рис.
16.13) с их концентрацией до 0,1 мг-ион/л и усиливается с увеличением
продолжительности обработки воды до 60 и более секунд.
425

Количество бактерий
Ecoli, 1пт/1 мл
1200
О 30 60 с
Рис. 16.13. Эффективность бактерицидного воздействия ионов металлов во времени
При более низких концентрациях @,002-0,005) антимикробный эффект катионов в
условиях наложения электрического поля проявляют только ионы серебра.
Значительно повысить дезинфицирующее действие малых доз хлорреагентов,
перекиси водорода, УФ-облучения можно добиться посредством ультразвука (УЗ). Этот
метод особенно перспекгавен в случаях обеззараживания недостаточно очищенных вод.
Гибель микробов Ecoli при ультразвуковой обработке воды возрастает с увеличение
экспозиций до 10 и более минут. Так, при действии ультразвука с частотой 820 кГц и
напряженностью поля 30 В/см2 при содержании кишечной палочки в воде до 104 мг/мл
гибель микробов возрастала от 0,5% при времени воздействия 0,5 минут до 80% при
времени воздействия IО минут.
В связи с широким применением первичного и вторичного хлорирования воды в
коммунальном водоснабжении в системах подготовки и транспортировки
хлорированной воды могут оставаться хлоррезистентные микроорганизмы, сохраняющие свою
жизнедеятельность.
В этих условиях повьш1ение бактерицидной надежности очищенной воды можно
достичь применением элекгролитических растворов серебра. Значительные положительные
результаты испьгганий этого метода были получены в институте коллоидной химии и химии
воды АН Украины и институте медико-биологических проблем России.
Механизм действия серебра на микробную клетку заключается в сорбировании
серебра клеточной оболочкой, проникновением ионов серебра внутрь клетки и
блокировки им бактериальных ферментов. В результате последнего клетка погибает. Опытами
установлено, что вода, обработанная серебром в концентрации 0,1 мг/л может сохранять
вьюокне санитарно-гигиенические свойства в течении года.
Обеззараживание и консервирование питьевой воды осуществляют в иоиатерах,
конструктивно состоящих из электролизера с анодным растворением серебряных элек-
426

тродов, датчиков расходов воды и системы управления трубопроводами и блока
автоматики. Блок автоматики контролирует и обеспечивает требуемую продолжительность
работы ионатера, переключение полярности питающего элеюроды напряжения через 10-
20 минут, отключения его работы при прекращении подачи воды.
Оптимальные характеристики работы ионаторов серебра ЛК-34(с) приведены в
таблице ] 6.11.
Таблица 16.
Характеристики работы иоиатора ЛК-34(с)
Характеристика
воды
(растворителя коицеитрата)
Водопроводная
вода
С1"=15мг/л
Р = 200 мг/л
Водопроводная
вода
С\- = 350 мг/л
504^" = 500 мг/л
Сила
тока,
А
3
3
Время
электролиза, мин
6-7
6-7
Концентрация
серебра в
емкости, мг/л
52-60
35-45
Выход
серебра по
току,%
91
70
Точность

дозирования, %
5-20
8-30
Примечание: Р - общее солесодержание.
Помимо серебряных электродов в электролизерах электрорастворение серебра
осуществляют с поверхности угольных электродов. Приготовление серебряной воды в
малых водоочистных устройствах осуществляют с использованием посеребренного
активированного угля.
В Новочеркасской государственной мелиоративной академии разработана
технология обеззараживания воды иа основе комбинирования УФ-облучения, пероксида
водорода и обработки ионами серебра, позволяющая в ряде случаев исключить применение
хлора на финишной стадии подготовки питьевой воды. В результате этого снижается
уровень экологической опасности системы водоподготовки в целом.
Введение ионов в воду, подвергаемую в дальнейшем бактерицидной обработке перокси-
дом водорода и УФ-лучами, сопровождается значительным (на порядок и более) повьш1ени-
ем интегрального уровня обеззараживания. Это явление вызвано собственньши
относительно высокими бактерицидными свойствами указанных ионов и их длительным
бактерицидным действием, а также ускорением процессов химического и фотохимического разложения
пероксида водорода и отчасти воды, приводящих к образованию (согласно литературным
данным) супераетивных в бактерицидном отношении радикалов ОН и вероятным образованием
обладающих аналогичными свойствами частиц Ag2+.
427

Таблица 16.12
Эффект обеззараживания воды при различных комбинациях бактерицидов.включая ионы
серебра с концентрацией 0,02 мг/л (Л'о=108 кл/см')
Комбинация
НзОз + УФ
Ag' + H202+УФ
НгОз + УФ
Ag' + Н2О2 + УФ
Н2О2 + УФ
Ag" + H202+УФ
Н2О2 + УФ
Ag* + Н2О2 +УФ
Доза УФ-
излучения,
мДж/см^
3
6
9
12
Величина показателя N, 1 Nq по
истечении времени экспозиции, ч
0,5
-3,3
40
-4.35
485
-5,0
-б.З
-5,5
-7,0
1,0
-4,3
-5,05
-4,8
-5,45
-6,0
-7,25
-6,25
-7,55
1,5
-4,5
-5,7
-5,0
-6,0
-6,4
-7,5
-6,45
-8,0
2,0
-4,55
-6,2
-5.0
-6,1
-6,5
-7,55
-6,55
Эффект от
Введения Ag*,
кратность
превышения
44,7
12,9
11,0
35,5
Вполне очевидно, что последние могут существовать только в сильно
окислительной среде, создаваемой совместно молекулами Н2О2, частицами ОН и УФ-воздействи-
ем. После прекращения УФ-облучения и разложения Н2О2 условия для существования
частиц Ag* исчезают, и они вновь переходят в стабильное состояние. Нахождение
последних в воде придает ей способность длительно сопротивляться вторичному
бактериальному загрязнению. Это обстоятельство является дополнительным аргументом в
пользу применения ионов серебра и меди в процессах обеззараживания воды,
основанных на использовании дезинфекгантов химической природы.
Сравнительный анализ разных технологий обеззараживания воды с учетом как
экономических, так и экологических затрат проведен по критерию эквивалентных затрат и
приведен в табл. 16.13.
Из анализа полученных результатов следует, что по среднегодовым эквивалентным
затратам наиболее перспеетивной может считаться технология, основанная на
использовании УФ-облучения и ионов серебра, полученных путем растворения сульфата серебра.
Таблица 16.13
Эквивалентные затраты на реализацию различных технологий обеззараживания воды иа
водоочистной станции ГРЭС г. Новочеркасска
Технология
)Спорирование
(базовый вариант)
УФ-облучение +
ионы серебра
(электролиз)
УФ-облучение +
иоиы серебра
(растворение Ag2S04)
Инвестиционные
затраты, тыс.
руб/год
66,0
2325,5
2177,5
Текущие
затраты,
тыс.руб/год
34,28
240,98
240,98
Экологические
ущербы,
твс.ру б/год
20469,2
0,0107
0,0107
Эквивалентные
затраты,
тыс.руб/год
24621,3
3000,3
2852,3
428

17. ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОМЫВНЫХ ВОД
И ОБРАБОТКА ОСАДКОВ ВОДОПРОВОДНЫХ СТАНЦИЙ
17.1. Влияние качества промывных вод на водоисточники
и РАБОТУ очистных СООРУЖЕНИЙ
При очистке природных вод образуются сточные воды, состав и вид которых
зависит от качества обрабатываемой природной воды, состава и эффективности работы
сооружений, вида применяемых реагентов и других (факторов.
На водопроводных очистных сооружениях (ВОС), использующих поверхностные
водоисточники, относящиеся к классу маломутных и цветных; в характерные периоды
года были изучены: промывные воды скорых фильтров, сточные воды продувки
горизонтальных отстойников и осветлителей - рециркуляторов. Анализировались
взвешенные вещества, остаточный алюминий, железо, вещества азотной группы (аммиак,
нитраты, нитриты), сульфаты, фосфаты, влажность, минеральная и органическая части,
нефтепродуюы, активная реакция, ХПК, БПК5, щелочность, хлориды, жесткость.
Анализ данных показал наличие в технологических стоках высом)й концентрации взвеси
(среднее содержание взвешенных веществ в промывных водах сюрых фильтров
составляло 150-370 мг/л, в сточных водах продувки отстойников 250-2100 мг/л при среднем
значении 1050 мг/л, после осветлителей-рециркуляторов - 200-7700 мг/л, при среднем
значении 2400 мг/л). Наиболее высокое содержание взвешенных веществ в сточных
водах характерно для периодов весеннего и осеннего паводков.
Основным минеральным
загрязнителем, наиболее часто вносимым
при м)агуля-ционной обработке воды,
являются соединения алюминия.
Содержание алюминия в
технологических стоках за этот период изменялось в
пределах 0,5-6,0 мг/л. Характер
изменения содержания АР* в промывной
воде скорых (фильтров в течение года
представлен на рис. 17.1. Наиболее вы-
'23 45 67 89 10 11 12 сокис концентрации наблюдались при
Месяц обработке исходной воды с высокой
Рнс. 17.1. Распределение концентраций А!^* цветностью и низкими температурами
в промывной воде скорых (фильтров близкими к 0°С в периоды осенних па-
по сезонам года водков. Концентрация АР* в общем
случае выше в стоках продувок
сооружений первой ступени.
Промывные воды скорых фильтров характеризовались также следующими
усредненными показателями: железо обшее 0,23-0,35 мг/л, сульфаты 78-92 мг/л, хлориды
15-16 мг/л, БПК.полн 3,2-6,3 мг/л,
В настоящее время применяется несколько способов использования промывных
вод и других технологических стоков ВОС, использующих поверхностные
водоисточники:
У
0
429

- сброс в естественную природную среду - реки, водоемы, естественные
понижения рельефа, закачивание в подземные горизонты; искусственно созданные шламонако-
пители, пруды. Основными недостатками этого способа, оказывающего негативное
влияние на природную среду, являются загрязнение поверхностных и подземных вод, а
также прилегающих к ВОС территорий, отторжение больших площадей для размещения
шламонакопителей и иловых площадок;
- сброс на городские очистные сооружения канализации. Применяются два
варианта этого способа: сброс промывных вод после их усреднения; сброс осадка после его
предварительного уплотнения. Основными недостатками способа является
существенное увеличение нагрузки на КОС, высокие затраты на транспортировку сточных вод и
осадков, а также поступление несвойственного для КОС загрязнителя - соединений
алюминия;
- повторное использование промывных вод и др. технологических стоков ВОС.
Может применяться как с предварительной обработкой (в отечественной практике -
отстаивание), так и без нее.
К сожалению до настоящего времени в отечественной практике еще наблюдается
сброс сточных вод ВОС в прилегающие водоемы, что обусловлено недостаточной
изученностью отрицательного влияния таких сбросов на водоемы, отсутствием средств, а
также ухудшением качественных и экономических показателей обработки воды при
обороте промывных вод. В таблице 17.1 приведены усредненные данные по качеству
сточной воды от промывки скорых фильтров в соотношении с качеством воды
водоприемника в фоновом створе (р. Вологда). Анализ данных позволяет установить основные
загрязняющие вещества: высокая концентрация взвеси в промывных водах, соединения
алюминия, сульфаты, хлориды.
Таблица, 17.1
Сравнение химического состава промывной воды скорых, фильтров и водоприемника
Показатель
Алюминий
Азот аммонийный
Взвешенные вещества
Железо общее
Азот нитратный
Азот нитритный
Сульфаты
Хлориды
Б.ПК ноли.
Нефтепродукты
Фосфор
Ед. изм.
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
мг/л
Фоновый створ
0,05
0,32
9,31
0,34
0,49
0,0082
50,35
9,8
3,24
0,038
0,12
Выпуск промывных вод
скорых фильтров
1,91
0,19
166,37
0,35
0,52
0,0099
78,27
15,5
3.72
0,11
0,03
В таблице 17.2 представлены средние показателя качества воды р. Вологды в
контрольном створе и на расстоянии 500 м ниже по течению выпуска сточных вод ВОС по
наиболее характерным показателям: - взвешенные вещества и остаточный алюминий.
Результаты получены в летне-осенний период 1998-1999 годов. Концентрация А1^* в
контрольном створе в среднем составила 0,2 мг/л (ПДК в водоемах 0,04 мг/л),
концентрация взвешенных веществ увеличивалась в 2 раза.
430

Таблица 17.2
Влияние сброса технологических стоков ВОС на содержание алюминия и концентрацию
взвешенных веществ в водотоке
Показатель
Алюминий
Взвешенные
вещества
Ед. изм.
мг/л
мг/л
Створ выше выпуска 1 км
0-0,05
0,017
0-7
3,16
Створ ниже выпуска 500 м
0,02-0,52
0,20
2-14
6,83
Влияние сброса неочищенных стоков ВОС на качество воды водотока как
непосредственно в месте сброса, так и ниже по течению показана на (рис. 17.2).
Непосредственно в районе выпуска концентрация взвеси увеличивается в несколько десятков раз,
концентрация алюминия достигает значения 3,4 мг/л. При низких скоростях течения
реки в периоды межени большая часть взвешенных веществ, обладающих высокой седн-
ментационной способностью, осазадается в непосредственной близости от выпуска,
создавая иловые наносы. Показательны в этом плане результаты анализа речной воды
ниже выпуска в отсутствие сброса. Отмеченные высокие концентрации взвеси A-23 мг/л
к фону) н остаточного алюминия @,4-1,3 мг/л) явились результатом вымывания их из
наносов. Содержание остаточного активного хлора @,4-0,7 мг/л) даже на удалении от
выпуска стоков E0 м ниже по течению) предполагает уничтожение значительной части
микроорганизмов, необходимых для процессов самоочищения водоема. Одновременно
было отмечено возрастание перманганатной окисляемости. Таким образом, результаты
исследований подтвердили негативное влияние сброса неочищенных сточных вод ВОС
на природную среду. Такие сбросы вызывают загрязнение поверхностных водоемов
органическими и неорганическими веществами, химическими реагентами, добавляемыми
в качестве коагулянтов н флокулянтов при обработке воды. В результате этого в
поверхностных водоемах изменяется состав воды, возникают иловые наносы, повышается
потребность в кислороде, угнетаются процессы самоочищения. Все это в конечном счете
приводит к ухудшению качества поверхностных вод. Фактически водопроводные
станции в этом случае не только концентрируют в источнике содержащиеся в нем
загрязнения, но вводят после реагентной обработки дополнительные загрязнения. Учитывая
огромные объемы сбросов E-15% от общей производительности водопроводных
станций) н потребляемых реагентов, проблема офаботки н повторного использования
сточных вод ВОС требует срочного решения.
Рис. 17.2. Изменение качества
речной воды по отдельным
показателям в районе выпуска
промывных вод скорых фильтров:
I - выпуск промывных вод;
2 - выше выпуска, 50 м; 3 - ниже
выпуска, 50 м
^ - мутность;
120
X 100
во
во
20
ш
М - остаточный алюминий;
I I - остаточный активный хлор;
Г^Я - пермаиганатная окисляемость
431

Наиболее часто в существующих и проектных технических решениях по
утилизации промывных вод скорых фильтров и контактных осветлителей рекомендуется их
повторное использование. При двухступенчатой схеме очистки природной воды
применяют следующую схему: промывные воды скорых фильтров поступают через песколовку
в приемный резервуар, а из него без отстаивания или после него - равномерно
перекачиваются в голову очистных сооружений. Осадок, накапливающийся на дне резервуара
промывных вод, направляется в сгустители или на сооружения по обезвоживанию.
Характерной особенностью технологических стоков ВОС являются значительные
колебания их расхода (залповые сбросы), а также значительное колебание их качества в
течение сброса. Характерное для цветных маломутных вод в водоисточнике изменение
качества промывной воды в течение промывки для скорого фильтра по показателям
взвешенных веществ и остаточного алюминия представлено на рис. 17.3.
-пп
0-
л
/
1
/ ^
'—
«: 9-,
S fi.
^
4
3-
9
1-
0-
л
л
\
\
1
6 8
Т. мвк
8 10
Т, мин
Рнс. 17.3. Зависимость а) мутности; 6) содержания АР'*' в промывной воде скорых
фильтров от продолжительности промывки
Взвешенные вещества, содержащиеся в промывных водах, при условии коагуляци-
онной обработки исходной воды, обладают способностью достаточно быстро
агломерироваться в крупные хлопья, обладающие высокой седиментациониой способностью.
Отстаивание промывных вод скорых фильтров в статических условиях показало, что
большая часть взвеси выпадает в осадок в течение 20-35 мин после начала отстаивания.
При дальнейшем отстаивании содержание взвешенных веществ изменяется мало и
составляет 15-30 мг/л. (рис. 17.4).
400т
Рис. 17.4. Зависимость содержания взвешенных веществ в промывной воде от времени
отстаивания в условиях обработки исходной воды сернокислым алюминием и ПАЛ
432

Периодичность сброса промывных вод, время перекачки и нахождения промывных
вод в резервуарах зависит от конструктивных и технологических параметров
конкретных сооружений (длительность фильтроцикла, количество фильтров, объем резервуара
и др.). Изменение качества оборотной воды в резервуарах-усреднителях СПИВ
(станции повторного использования воды) по показателям мутности и остаточного алюминия
при периодичности сброса промывной воды равной, 2 часам, представлены на рис. 17.5.
Значительное изменение качества оборотной воды в цикле перекачки обусловлено
высокой способностью промывной воды к осветлению, неравномерностью качества и
объема поступающей в резервуар промывной воды.
>-.
'> =1
9 .
1 5-
0 5-
0-
"
^
:^
^
V
/
/^
•^
/~-
L-
"""^
\
V
\
^'
\^
^
^^
/
^—
.
2
/
<^
—-
—
Рис. 17.5. Изменение качества
промывной воды в резервуарах-
усреднителях СПИВ:
1 - уровень в резервуаре (метр);
2 - мутность оборотной воды; 3 -
содержание АР+ в оборотной воде
20
40
60
80
100
120 140
Т, мин
Анализ данных по влиянию оборота промывной воды (рассмотрены усредненные
показатели за октябрь-декабрь 1999 года) на качество воды, поступающей на обработку,
позволяет сделать вывод о том, что качество воды с добавкой промывной по
химическим показателям в целом близко к речной воде. Цветность смешанной воды возрастает
незначительно. Увеличение содержания взвеси составляет около 42%. Довольно
значительное ухудшение качества воды было отмечено по содержанию общего железа—
37,5%,, и соединениям азотной группы: аммиак 2.1%, нитриты 26%). Основными
веществами, ухудшающими качество смешанной воды, как и следовало ожидать являются
соединения алюминия. В среднем концентрация остаточного алюминия в речной воде
после добавки промывной составила 0,27 мг/л при максимальном значении 1,26 мг/л.
Проведенные Чекрышевом А.В. исследования в течение 1998-99 гг. позволили
установить, что повышение содержания в исходной воде остаточного алюминия за счет оборота
промывной воды приводит к увеличению его содержания в обработанной в среднем на 0,12 мг/л.
Кроме того, в некоторых случаях ухудшаются органолептические показатели (мутность и
цветность), увеличивается перманганатная окислемость, содержание железа.
За этот же период изучалось влияние примесей промывной воды на
бактериологические показатели воды, поступающей на обработку, по стандартным для водоисточника
показателям (лактозные палочки (ЛКП), общее микробное число (ОМЧ), споры сульфитре-
дуцирующих клостридий). Как показывают результаты, добавка промывной воды не
оказывает существенного влияния на бактериологический показатели исходной воды,
поступающей на обработку. Вместе с тем следует отметить и нестабильность
бактериологических показателей в присутствии добавки промывной воды, особенно в периоды большой
бактериологической нагрузки на сооружения. Так, в этот период ЛКП смешанной воды
достигало значений 40000 (исходная вода 29000). В другом случае было зафиксировано
присутствие ЛКП в количестве 1000, при содержании их в исходной воде - 10000.
15 ^9858
433

Таким образом, на основании лабораторных и производственных исследований на
действующих сооружени51х выявлена характерная особенность метода повторного ис-
пользовання промывной воды, использующегося при двухступенчатых схемах водо-под-
готовки (равномерная перекачка в голову сооружений из резервуров-усреднителей без
отстаивания): существенное колебание качества оборотной воды. В результате этого
затрудняется определение оптимальных доз реагентов. Обеспечить на сооружениях
достаточно равномерное качество оборотной воды, представляется достаточно сложной
задачей. Ее решение может быть достигнуто за счет предотвращения отстаивания
промывной воды в резервуарах; снижения периода перекачки до времени отстаивания
основного количества взвешенных веществ и, следовательно, увеличения процента добавки,
оборотной воды к исходной; предварительной подготовки оборотной воды каким-либо
методом с целью улучшения ее качества.
Одним из важнейших факторов, влияющих на работу сооружений без
предварительной подготовки оборотной воды, является соотношение объемов оборотной и
исходной воды. Основными загрязнениями, влияющими на эффективность работы
сооружений в условиях оборота промывной воды, являются взвешенные вещества и
остаточный алюминий. Характер взаимосвязи этих двух показателей оборотной воды,
полученной при работе на действующих сооружениях, представлен на рис. 17.6, 17.7 и
зависимостями 17.1 и 17.2.
^ 16
ll2
а 8
|в
4
2
Сл,=0,27
^
!9+0,0265
* * »
•
%
•
^
^
1.4
1 1.2
1 1
|0.8
«0.6
<^0.4
0.2
О
•
^ш^
г
Са.=0.0«
•
'Z^
78ДМ+0
^''^,
1164
.
10
20
30 40
Мутность, мг/л
8 10
Мутность, мг/л
Рис 17.7. Зависимость концентрации оста-
Рис. 17.6. Зависимость содержания остаточ- точного алюминия от мутности оборотной
иого алюминия от мутиостн оборотной воды
воды (холоаиый период года)
Сд,= 0,2729-М+ 0.0265
A7.1)
Сд, =0,878-AM+ 0,1164-
A7.1)
Между содержанием взвешенных веществ в промывной воде и остаточным
алюминием выдерживается достаточно строгая: линейная зависимость. На ее основании
можно сделать некоторые выводы. Отставание промывной воды, имеющей после ее ос-вет-
ления даже при длительном периоде мутность не менее 15-30 мг/л, позволит снизить
содержание остаточного алюминия не более чем д6 5-6. MzJn. В оборотной воде
содержится остаточный алюминий в растворённом виде, не связанном с взвешенными
веществами, в концентрациях не менее чем 0,02-0,12 мг/л. Снижение его концентрации в обра-
434

ботанной воде на сооружениях, рассчитанных на выделение взвешенных веществ, вряд
ли возможно. Причем, наибольшие его концентрации, как и следовало ожидать,
приходятся на холодный период года. С увеличением содержания взвешенных веществ
скорость прироста концентрации остаточного алюминия снижается.
Содержание взвешенных веществ в оборотной воде при условии обработки
маломутных цветных вод играет в целом положительную роль. В связи с этим в проектных
решениях рекомендуется использовать промывную воду в качестве замутнителя. С
другой стороны, содержание, остаточного алюминия в питьевой воде должно быть
минимальным. При решении задачи оптимального соотношения исходной и оборотной воды
перед очистными сооружениями, с точки зрения обеспечения качества питьевой воды
после них, необходимо найти условия максимального улучшения условий коагу-лиро-
вания примесей воды за счет внесения взвеси при минимальном внесении соединений
алюминия.
Повторное использование промывных вод на водопроводных очистных станциях в
настоящее время предполагает изначальное ухудшение качества исходной воды перед
очистными сооружениями, из-за внесения в нее несвойственных фоновому
гидрохимическому составу токсичных веществ, в первую очередь, остаточного алюминия.
Выбор методов и сооружений очистки промывных вод следует осуществлять в
зависимости от намечаемого их дальнейшего использования в водопроводно-канализа-
ционном комплексе. В зависимости от степени очистки промывных вод их
целесообразно использовать в системах производственного водоснабжения, для приготовления
растворов реагентов, для полива территорий и др.
17.2. Выбор технологической схемы и состава сооружений
Процессы подготовки воды природных источников для питьевых и технических
нужд обычно связаны с образованием больших количеств производственных сточных
вод и осадков. В связи с этим в технологии кондиционирования воды возникает
проблема обработки сточных вод и осадков водопроводных станций при условии соблюдения
правил охраны поверхностных и подземных вод от загрязнения и ограниченности
земельных, площадей для размещения осадка.
Вьщеляются следующие виды сточных вод и осадков станций очистки природных вод:
1) по типу водоисточника: поверхностных и подземных вод;
2) по качеству обрабатываемой природной, воды: поверхностных вод -
маломутных, цветных (Z//M более 10), средней мутности и цветности Щ/М- 5-10), мутных Ц/М
менее 5), подземных вод - по основному загрязнению исходной воды;
3) по виду реагентов, используемых при обработке воды;
4) по условиям образования: осадки отстойников и осветлителей со слоем
взвешенного осадка, промывные воды фильтров, контаюгных осветлителей, микрофильтров,
стоки реагентного хозяйства и др.
Загрязнения технологических сбросов от сооружений безреагентной очистки воды
представлены сконцентрированными крупнодисперсными минеральными и
органическими веществами основных загрязнений природной воды с гидравлической крупностью
5 мм/с и близкой или равной нулю.
Кондиционирование поверхностных вод в большинстве случаев производиться
путем коагулирования ее примесей химическими реагентами с последующим выделением
в осадок образующихся агрегатов. В качестве реагентов используются соли алюминия
15- 435

и железа (в основном сульфат и гидрооксихлорид алюминия). Для интенсификации
процесса коагуляции применяются, анионные, неионогенные и катионные
высокомолекулярные флокулянты. В этом случае сточные воды и осадки водопроводных станций
содержат примеси воды, скоагулированные гидроокислами в хлопья, которые объединены
в крупные агрегаты макроионами флокулянтов. Таким образом, технологические
сбросы станций очистки природных вод представляют собой сложные орга-номинеральные
системы, различные по своим свойствам и составу, образованные продуктами
гидролиза коагулянтов и основных загрязнений природных вод. Соотношение их составляющих
компонентов и свойства обуславливаются характером водоисточника и могут бьпъ
выражены такими показателями качества исходной воды как цветность и мутность. В
общем случае при увеличении отношения цветности к мутности водоисточника
увеличивается содержание органических веществ и гидроокиси алюминия в сточных водах и
осадках, возрастает содержание свободной и связанной воды. Наибольшие затруднения
возникают при обработке и утилизации технологических сбросов маломутных цветных
вод, обусловленные высоким содержанием гидроокиси алюминия (АР+ 0,5-60 мт/л),
органических веществ D5-60 % сухого вещества) и низкой водоотдающей способностью
осадков (удельное сопротивление фильтрации 800-1600 Ю-'" см/г).
Сбросы от сооружений очистки воды с применением коагулянта характеризуются
следующими усредненными показателями: содержание взвешенных веществ
800-8000 мг/л; БПК5=30-80 мг/л, ХПК=50-1500 мг/л, гидравлическая крупность более
0,35 мм/с. Для промывных вод скорых фильтров и контактных осветлителей
содержание взвешенных веществ составляет 400-2000 мг/л, БПК5=3-10 мг/л, ХПК=10-25 мг/л.
В воде над осадком в сгустителях, накопителях, площадках обезвоживания среднее
содержание взвешенных веществ составляет 8-50 мг/л, ХПК = 10-20 мг/л,
БПК5=3-10 мг/л. Характерные загрязнения представлены мелкодисперсной взвесью с
преимущественным содержанием продуктов гидролиза коагулянта и среднедисперсной
взвесью выносимой фильтрующей, загрузки.
Бактериологический состав технологических стоков водопроводных станций при
применении предварительного хлорирования воды обычно таков, что их
дополнительное обеззараживание при дальнейшем использовании не требуется.
На большинстве водопроводных станций сточные воды и осадки сбрасывают в
прилегающие поверхностные водоемы. Нередко оттуда же и производиться и
водозабор. При этом отмечаются случаи ухудшения качества исходной воды при водозаборе из
водохранилищ и озер, прилегающим к водопроводным станциям.
Для создания естественных и искусственных шламонакопителей, иловых
площадок, прудов-накопителей требуется отторжение больших площадей на прилегающих к
вое территориях, ухудшаются санитарные условия занятых территорий. С другой
стороны многолетняя практика эксплуатации показала недостаточную эффективность
обработки осадков природных вод на таких сооружениях, особенно для технологических
сбросов, образующихся при обработке маломутных, цветных вод. Кроме того, в этих
случаях не исключается возможность попадания токсичных веществ, содержащихся в
стоках в подземные и грунтовые воды. Учитывая огромные объемы сточных вод E-
15%) и осадков A-3%) от полезной производительности водопроводных станций
становиться очевидным огромный ущерб, наносимый природной среде практикой сброса
неочищенных сточных вод водопроводных станций и необходимость применения более
эффективных способов их обработки и удаления.
436

в целях рационального использования воды и охраны среды обитания на
водоочистных комплексах рекомендуется применять повторное использование воды после
промывки скорьк фильтров и контактных осветлителей. На повторное использование
может также направляться осветленная вода над осадком в технических отстойниках и
отстойниках промыаных вод, сгустителях, в накопителях и площадках обезвоживания
осадка. Следует отметить необходимость проведения технологических изысканий и
обоснования применения повторного использования промывных вод фильтровальных
сооружений в каждом конкретном случае. Необходимость тщательных обоснований
повторного использования, промывных вод обусловлена значительным изменением
качества исходной воды и соответственно усложнением технологии приготовления воды,
что может привести к нарушению режимов очистки природных вод и ухудшению
качества обработанной воды. В частности, при обороте промывных вод отмечается
повышение пер-манганатной окисляемое, мутности, снижение щелочности исходной воды.
Содержание алюминия в исходной воде при обороте промывных вод фильтровальных
сооружений, может достигать значений 6-7 мг/л, что, в общем, приводит к увеличению его
содержания и в обработанной воде. При повторном использовании промывных вод
характерным также является значительное изменение качества оборотной воды в цикле
использования, что также затрудняет выбор оптимальных условий обработки исходной
воды. Все это, однако, не исключает применения оборота промывных вод на
действующих и проектируемых водопроводных станциях, позволяющих значительно снизить
расходы воды на собственные нужды стации. Эффективность работы сооружений при
повторном использовании промывных вод фильтровальных сооружений может быть
повышена применением более эффективных коагулянтов для обработки воды (например
гидрооксихлорида алюминия), обоснованным подбором соотношения исходной и
оборотной воды, очисткой промывных вод перед дальнейшим использованием.
Выбор технологической схемы и состав сооружений для повторного использования
промывных вод определяется составом сооружений и способом подготовки воды,
качеством исходной воды, промывных вод после основных сооружений и требований к
степени их очистки.
Применяются две основные схемы оборота промывных вод: 1) перекачивание
промывной воды после усреднения ее расходов в трубопровод перед смесителем; 2) ос-вет-
ление промьгеной воды в отстойниках периодического действия и последующая
перекачка в трубопровод перед смесителем.
При двухступенчатой схеме очистки природной воды с отстаиванием и
последующим фильтрованием применяют первую схему (рис. 17.8). Промывные воды скорых
фильтров поступают через песколовку в резервуар, а из него без отстаивания
равномерно перекачиваются в голову очистных сооружений. Осадок, накапливающийся на дне
резервуара промывных вод, направляется на дальнейшую обработку: в сгустители, на
сооружения по обезвоживанию, на очистные сооружения канализации и др.
Отстойники промывных вод применяются на станциях подготовки воды с
одноступенчатым фильтрованием и обезжелезиванием (рис. 17.9). Промывные воды контактных
осветлителей поступают в отстойник, где осветляются в течение определенного времени,
после чего подаются в трубопровод подачи сырой воды на станцию. Осадок,
накапливающийся в отстойниках промывных вод, направляется на дальнейшую обработку.
При отсутствии предварительного хлорирования исходной воды необходимо
предусматривать обеззараживание промывной воды перед ее повторным использованием.
437

Рнс. 17.8. Технологическая схема обрабопся воды с резервуаром-усреднителем промывных
вцд скорых фильтров:
1,5 - подача исходной и отвод очищенной воды; 2 - смеситель; 3 - горизонтальный отстойник;
4 - скорый фильтр; 6 - отвод промывной воды скорых фильтров; 7 - резервуар-усредиитель со
встроенной песколовкой; 8 - насос для возврата промывной воды в трубопровод перед
смесителем; 9 - возврат промывной воды в «голову» сооружений; 10 - насос для удаления осадка нз
резервуара; 11 - осадок на дальнейшую обработку; 12 - осадок на уплотненне
Рнс. 17.9. Технологическая схема обработки воды с отстойником промывных вод
периодического действия:
1,5 - подача исходной и отвод очищенной промывкой воды; 2 - барабанная сетка; 3 - смеситель; 4 -
контактный осветлитель; 6 - отстойник промывных вод периодического действия со встроенной
песколовкой; 7 - подача очищенной воды в «голову» сооружений; 8 - сброс промывной воды; 9 -
осадок на дальнейшую обработку
17.3. Расчет сооружений по очистке и повторному
ИСПОЛЬЗОВАНИЮ промывных вод
Песколовки обеспечивают выделение и удаление нз технологических стоков песка
и гравия, вымываемого из загрузки очистных сооружений при промывке.
На действующих сооружениях наиболее распространены простейшие вертикальные
песколовки, устроенные во входной части резервуара или отстойника промывных вод.
438

Вертикальная песколовка представляет собой железобетонный резервуар,
состоящий из двух частей: верхней - прямоугольной формы (рабочая часть) и нижней
(осадочной) в виде перевернутой пирамиды. Стоки поступают в нижнюю часть прямоугольной
формы. На выходе из песколовки для: поддержания постоянной скорости движения
воды предусматривается водослив с широким порогом. Удаление песка из приямков
производится периодически гидромеханическим способом при помощи элеватора или пес-
кового насоса.
Расчет вертикальных песколовок производится на основании максимальных
расчетных расходов, скоростей протекания и времени протока. Длина пути протекания Нр
равна высоте проточной части от впуска жидкости внизу до уровня воды в песколовке,
площадь живого сечения определяется сечением песколовки в горизонтальной
плоскости. Скорости течения воды в вертикальных песколовках принимаются РМ),02-0,05 м/с,
время осаждения /(,=2,0-2,5 мин, в отдельных случаях до 3-3,5 мин.
Длина пути протекания (рис. 17.10):
Нр
Рис. 17.10. Схема вертикальной
песколовки:
1 - подводящий трубопровод; 2
-приемное отделение; 3 - рабочая часть; 4 -
водослив с широким порогом; 5 - приямок
для накопления песка
Я,-К,-/<,,м
A7.3)
где V - расчетная скорость течения воды, м/с; tg- расчетное время осаждения, с.
Горизонтальные размеры вертикальных песколовок определяются на основании
уравнения расхода:
^ = QJVp ,и^
A7.4)
где со - площадь живого сечения, песколовки, м^; Qp - расчетный расход, мЗ/с; Vp -
расчетная скорость течения воды, м/с.
Резервуары-усреднители промывных вод предназначены для приема периодически
поступающей воды от промывки фильтров с целью ее дальнейшего равномерного
перекачивания в трубопроводы перед смесителем без отстаивания.
Конструктивно резервуары промывных вод представляют собой прямоугольную в
плане железобетонную емкость. Входная часть резервуаров выполняется в виде
вертикальной песколовки для обеспечения выделения песка, выносимого с промывной водой.
Днище резервуаров промывных вод выполняется с уклоном к грязевому приямку. Отбор
439

осадка из грязевого приямка осущестнляется, периодически при помощи центробежных
насосов или гидроэлеваторов. Для взмучивания осадка, скапливающегося на дне
резервуара, предусматривается система гидросмыва, располагаемая по периметру емкости.
Отбор для перекачки перед смесителем осуществляется с поверхности воды в
резервуаре при помощи гибкого рукава, закрепленного на поплавке.
Производительность насосов для оборота промывных вод рассчитывается исходя
из условия равномерного их перекачивания в голову сооружений.
Объем промывной воды за фильтроцикл определяется по формуле:
W^NFq-60t/\000,M^ A7.5)
где N - количество фильтров; F - площадь фильтра, м^; q - интенсивность промывки,
лс/м2; / - длительность промывки, мин.
Производительность насоса для перекачивания промывной воды:
Я = ^/Тф ,мЗ/ч A7.6)
где iV- объем промывной воды за фильтроцикл, м^; Тф - длительность фильтроцикла, час.
Количество резервуаров промывных вод принимается не менее д^ос. Вмести-мость
каждого определяется по графикам периодического поступления и равномерного
откачивания технологических сбросов, но не менее объема от одной промывки фильтра
продолжительностью 10 мин. При расчете объема резервуаров промывной воды
необходимо также учитывать необходимый объем зоны накопления осадка.
Осветление промывных вод отстаиванием рекомендуется применять при
одноступенчатом фильтровании и обезжелезиванин. Отстойники в этом случае выполняют
также функции резервуара для обеспечения равномерного перекачивания осветленной
воды в трубопроводы, перед смесителями. Общая продолжительность цикла повторного
использования определяется по формуле:
Т = Тф/Ы ,час A7.7)
где Тф - длительность фильтроцикла, час; N - количество фильтров.
Продолжительность цикла повторного использования может быть изменена при
возможности последовательной промывки нескольких фильтров. В этом случае N
-число промывок за фильтроцикл.
Цикл повторного использования промывной воды складывается из следующих
операций:
^ = ^„р + Кб + ^ос. + Kos + ^осд , час A7.8)
где Т - длительность цикла повторного использования промывной воды, час; t^ -
длительность промывки фильтра, час; t^ - длительность пробега промывной воды от
фильтра до отстойника, час; /„<., - длительность осветления промывной воды, час; /„^^ -
длительность перекачки промывной воды на повторное, использование, час; 1^^ -
длительность перекачки осевшего осадка на дальнейшую обработку, час.
440

Длительность отстаивания промывных вод согласно рекомендациям Пособия к
СНиП* 2.04.02-84. «Проектирование сооружений для обезвоживания осадков станций
очистки природных вод» принимается для станций реагентного осветления и обезжеле-
зивания - 2 часа, для станций безреагентной обработки - 4 .часа. При использовании по-
лиакриламида дозой 0,03-0,04 % от массы твердого вещества в осадке длительность
отстаивания принимается 1 час.
Вместимость отстойника промывных вод следует принимать с учетом зоны
накопления осадка:
W =W +РГ ^ ,мЗ A7.9)
" отс " осе " осд ^ '
где Wg„c„ - объем отстойника промывных вод, м^; W^^, - объем зоны осаждения,
принимается на 20% более объема воды от одной промывки фильтра, м^; W^^^ - объем зоны
накопления осадка, м^.
Объем, зоны накопления осадка рассчитывается по формуле:
где W^^ - объем зоны накопления и уплотнения осадка, м^; W^ - объем сбросов в
отстойник за период Ту между выпусками осадка. Ту надлежит принимать не менее 8-12 часов,
при равных объемах единичных сбросов W^ определяется как произведение числа
сбросов на объем единичного сброса; М^, - мутность воды, выходящей из отстойника, г/м^;
5 средняя по всей высоте осадочной части концентрация твердой фазы в осадке, г/м^.
Принимаемая: для станций осветления воды и реагентного обезжелезивания -
\000Q г/мЗ, для станций безреагентного обезжелезивания - 35000 г/м^; С^ - концентрация
взвешенных веществ в воде, г/м^, поступающих в отстойник, определяемая по формуле:
с.=(с„„-с^)е/^/рг^, A7.11)
где С,^ - содержание взвешенных веществ в воде поступающей на фильтры, г/м^;
Сф - содержание взвешенных веществ в фильтрате, г/м^; Qф - производительность
фильтра, м^/час; Wф - объем воды на промывку фильтра, рассчитывается по формуле 17.5.
17.4. Естественные методы обработки осадков
На очистных сооружениях по подготовке питьевой воды образуются
концентрированные сильно влажные осадки. Это осадки из отстойников и осветлителей со
взвешенным слоем, скорых фильтров, контакгных осветлителей и осадки из растворных баков с
реагентами. Исследование состава водопроводных осадков указывает на высокое
содержание в них оксида алюминия и значительного количества высокомолекулярных
органических веществ от использования флокулянтов.
В настоящее время основным методом обработки этих осадков в отечественной
практике является их естественная сушка, а также обезвоживание на искусственно со-
441

зданных картах (площадках вымораживания). Зачастую наблюдается сброс осадков в
водоисточники. Карты занимают значительные земельные участки, как правило, в
непосредственной близости к городским территориям, на которых осадки выдерживаются
длительное время B-4 года). При этом органическая часть осадков загнивает, в
результате чего образуются неприятные запахи, на картах развивается растительность и
размножаются многочисленные виды насекомых.
Во всех случаях указанные методы обработки приводят к загрязнению подземных
и поверхностных вод. Таким образом, очевидна необходимость перехода к более
совершенным методам обезвоживания водопроводных осадков - их кондиционированию
(разрушению коллоидных связей) с последующим механическим обезвоживанием.
Для кондиционирования осадков применяют в основном две технологии:
обработка реагентами (известь) или искусственное попеременное замораживание - оттаивание.
Механическое обезвоживание может быть осуществлено на вакуум-фильтрах, фильтр-
прессах или центрифугах.
Водопроаодные осадки в сравнении с осадками сточных вод значительно труднее
поддаются обезвоживанию. При этом требуется большое количество реагентов и
снижается производительность аппаратов по механическому обезвоживанию.
Водоотводящие свойства водопроводных осадков в сильной степени зависят от
качества воды в природных водоисточниках, а именно от соотношения цветности (Z/) и
мутности воды (М). При Ц/М>\0 требуется внесение более 100% (от массы сухого
вещества осадка) извести и вспомогательных веществ, а при Ц/М>30 осадки не
обезвоживаются вообще.
Сброс осадка водопроводных станций в поверхностные воды нельзя считать
приемлемым, так как он способствует большому загрязнению поверхностных вод
органическими и неорганическими взвешенными веществами, оксидами металлов. В
результате этого в поверхностных водах возникают иловые наносы, повышается потребность
в растворенном кислороде ухудшается их качество (см.п.17.1, 17.2).
Осадок из отстойников и промывную воду после фильтров и реагентного
хозяйства сбрасывают в пруды-накопители.
Для уменьшения объема сбрасываемого осадка практикуют его флотационную
обработку или гравитационное уплотнение.
В районах, где есть возможность промораживания осадка, применение
прудов-накопителей эффективно. Замораживание как часть процесса обработки в прудах
приводит к уменьшению первоначального объема осадка и, следовательно, к увеличению
концентрации твердых веществ в осадке.
В качестве прудов-накопителей используются заболоченные места и озера. Этот
метод также экологически неоправдан, хотя имеет низкие капитальные и
эксплуатационные затраты при наличии вблизи водопроводной станции свободных земельных
угодий и может служить как временное мероприятие для удаления осадка. В целом пруды-
накопители не дают окончательного решения для эффективного обезвоживания
водопроводного осадка, так как на поверхности пруда образуется твердая корка, под которой
осадок в тиксотропном состоянии находится многие годы. Особенно это относится к
осадкам, образующимся при очистке маломутных высокоцветных вод. Добавление
извести к таким осадкам практически не интенсифицирует процесс их обезвоживания на
прудах-накопителях, а лишь увеличивает стоимость обработгки водопроводных осадков.
Использование иловых площадок для обезвоживания водопроводного осадка
является наиболее распространенным методом в районах с достаточным количеством сво-
442

бодных земельных площадей. Наибольшее применение получили иловые площадки на
естественном дренирующем основании.
Обезвоживание осадка на иловых площадках осуществляется путем испарения
влаги и ее фильтрации.
Несмотря на то, что на иловых площадках происходит испарение и фильтрация
влаги, влажность осадка остается высокой, если за период обезвоживания не
произойдет естественного замораживания и отгаиваиия. Без замораживания-оттаивания
концентрация твердых веществ в осадке, содержащем оксид алюминия, максимально
увеличивается не более чем на 10%. Процесс естественного замораживания изменяет
физико-химическую структуру осадка, в результате чего увеличивается количество
свободной влаги. При весеннем таянии осадок не приобретает свою первоначальную
структуру, остаются чистая вода и небольшие гранулированные частицы,
напоминающие коричневый песок, с обьемии, сниженным до 1/6 первоначального объема.
Опыт обезвоживания осадков на иловых площадках показал низкую
эффективность их работы из-за зависимости от состава водопроводного осадка, погодных
факторов и изменения режима грунтовых вод на прилегающих территориях; потребности в
отчуждении значительных земельных угодий; удорожании обработки осадков с
течением времени; необходимости использования ручного труда. Кроме того, иловые
площадки способствуют размножению насекомых, создают антисанитарные условия на
прилегающей к ним территории.
Пути интенсификации обезвоживания водопроводных осадков на иловых
площадках, например добавление катионовых флокулянтов, усовершенствование дренажной
системы широкого распространения не получили.
17.5. Искусственные методы обработки
К искусственным методам обработки и удаления водопроводного осадка относятся
механическое обезвоживание на вакуум-фильтрах, фильтр-прессах и центрифугах,
кислотная обработка, сброс в городскую канализавдю и совместная обработка с осадками
канализационных станций.
Механическому обезвоживанию водопроводного осадка, как правило,
предшествует их кондиционирование, цель которого состоит в снижении остаточного заряда
структурообразующих частиц и в качественном перераспределении различных форм связи с
твердым веществом, с переводом части колоидно-связанной воды в свободное
состояние. Кондиционирование может осуществляться с применением реагентов,
флокулянтов, методов замораживания-оттаивания, радиационной обработки, магнитной
обработки и электрокоагуляции.
Обработка реагентами является наиболее распространенным способом подготовки
водопроводных осадков к механическому обезвоживанию. Использование минеральных
коагулянтов - сульфата железа, хлорида железа и сульфагга алюминия - пракгически не
улучшает водоотводящую способность водопроводных осадков, содержащих в своем
составе оксид алюминия. Однако введение присадочных материалов с химическими
реагентами позволяет улучшить подготовку осадков к обезвоживанию. В качестве
присадочных материалов используют активированный уголь, диатомит, пыль
электрофильтров. Для достижения необходимой степени сопротивления фильтрации осадка
требуется правильный подбор присадочных материалов и количественного отношения этого
вещества и примесей, содержащихся в осадках. Среди реагентов особое место занимает
443

известь, являющаяся одновременно реагентом и присадочным материалом. Добавление
извести к осадкам в количестве 20-100% (в пересчете на СаО от массы сухого вещества
осадка) значительно улучшает их фильтрующие свойства: удельное сопротгивление с
1200-2000-1010 см/г Количество добавляемой извести для снижения удельного
сопротивления фильтрации зависит от состава и начального удельного сопротивления осадка.
Обработка флокулянтами. При добавлении флокулянтов анионного и катионного
типа к водопроводному осадку происходит изменение первоначальной структуры
осадка. Надо отметить, что при введении флокулянта особое требование предъявляется к
дозе и продолжительности перемешивания флокулянта с осадком. Обработка
водопроводного осадка активированной кремниевой кислотой в количестве 0,06-1% (по
отношению к твердому веществу осадка) не способствует сгущению и улучшению
фильтрующих свойств осадка. Удельное сопротивление фильтрации во всех случаях остается
высоким (~П50-2200-10-'<' см/г). Добавление полиакриламида в количестве 0,05-1% также
не приводит к снижению удельного сопротивлению осадка. Однако при медленном
перемешивании осадка с добавкой коагулянта продолжительность уплотнения осадка
сокращается ~ в 4 раза.
Кислотная обработка. Наиболее широкое применение получила кислотная
обработка водопроводного осадка серной кислотой. Регенерируемый коагулянт состоит в
основном из сернокислого алюминия, незначительного количества сульфата железа и
других соединений. Этим способом удается вернуть в производство очистки воды до 80%
отработанного коагулянта и снизить объем осадка в 5-20 раз. Значительно реже такие
осадки обрабатывают соляной кислотой, в результате чего образуется хлорид алюминия.
Исследования кислотной обработки осадков Северной водопроводной станции
Москвы показали, что количество оксида алюминия, которое удается перевести в
раствор, достигает 75% при обработке осадка влажностью 99%. Основными факторами,
определяющими эффективность регенерации коагулянта, являются концентрация
твердых веществ в осадке, количество добавляемой кислоты (рН реакционной смеси) и
продолжительность перемешивания. Обработка осадка кислотой считается экономичной
при условии содержания а осадке СаО от 1 до 10%).
Осадки, полученные в результате регенерации коагулянта, обладают более высокой
водоотдачей, чем первичные осадки. Для их обезвоживания используют механические
методы обработки с добавлением извести. Метод кислотной обработки водопроводных
осадков обладает рядом существенных недостатков:
- добавление кислоты в осадок снижает рН до 2, при этом происходит повторное
растворение в жидкой фазе металлов, органических веществ, и, таким образом, эти
вещества поступают опять в процесс очистки воды в ходе рецеркуляции коагулянта;
- в процессе кислотной обработки увеличивается объем регенерируемого
коагулянта, что требует изыскания дополнительных методов его обезвоживания;
- большой расход кислоты влечет за собой строительство кислотного хозяйства на
водопроводной станции, что связано с дополнительными капитальными и
эксплуатационными затратами.
При регенерации коагулянтов из осадков водопроводных станций решается
одновременно проблема сокращения объема осадка, уменьшения коагулянта, расходуемого
в процессе очистки воды. Методы регенерации коагулянтов основаны на растворении
продуктов их гидролиза в кислотах, щелочах или других органических растворителях.
Обработка хлором. Регенерация осадка водопроводных станций обработкой его
газообразным хлором технологически и экономически оправдана. Следует отметить, что
444

пока метод не вышел за пределы лабораторных исследований и не проверен на
крупномасштабных установках из-за своей высокой стоимости.
Перепивные центрифуги могут обезвоживать осадок водопроводных станций до
концентрации твердых веществ в кэке 20-30%, используя современное
механизированное оборудование и новые полимеры. Так, например, обезвоживание водопроводного
осадка начальной влажностью 99,6%, предварительно обработанного флокулянтами
(например, полиэлектролитом) на центрифуге фирмы «Крюгер», обеспечило конечную
влажность осадка в пределах 75-73%). При уменьшении влажности исходного
материала и обработке его флокулянтами из расчета 2,5 кг на 1т сухого вещества можно
получить конечный продукт влажностью 70%.
Предварительное уплотнение осадка до влажности 98,5-98%) повышает
производительность центрифуг до 4-10 м^/ч по влажному осадку. В других случаях влажность
конечного продукта доводили до 60% при использовании полимерных флокулянтов
марки РМ 35000 в количестве 1-4 кг на 1 т сухого вещества осадка. При этом
производительность центрифуг составляла 10-20 м'/ч по влажному осадку.
Наиболее приемлемы для обезвоживания водопроводного осадка центрифуги
непрерывно-винтового и полунепрерывно-корзиночного типа.
Корзиночные центрифуги с нижней подачей способны обезвоживать осадок до
содержания твердых веществ в кэке более 30%. Центрифуги вращаются с помощью
гидравлического привода.
В последнее время зарубежными фирмами: «Гумбольт» (ФРГ), «Альфа-Лаваль»
(Швеция) и др., разработаны усовершенствованные конструкции центрифуг для
обезвоживания осадков с флокулянтами.
НИИХИММАШ России разработаны центрифуги типа НОГШ, предназначенные
для обезвоживания водопроводных осадков, предварительно обработанных
флокулянтами. К преимуществам центрифуг можно отнести возможность полного
автоматического управления, способность обрабатывать неуплотненный и уплотненный осадки,
небольшая площадь, которую они занимают.
Применение центрифуг для обезвоживания водопроводных осадков особенно
эффективно на малых водопроводных станциях.
К недостаткам, сдерживающим широкое использование центрифугирования,
следует отнести необходимость предврительной обработки осадков реагентами и
дорогостоящими флокулянтами, высокую стоимость эксплуатации, не до конца решенную
пока проблему удаления и обработки фильтрата.
Центробежная сила С, развиваемая при центрифугировании, определяется по
уравнению:
С = М-ф^^20-М-п^-О ,Н, A7.12)
где М - масса осадка и жидкости, находящихся в барабане центрифуги, кг; со - угловая
скорость с-'; D = 2R - диаметр барабана, м,п- частота вращения центрифуги, с'.
Давление фильтрования при центрифугировании определяется:
а) приближенно по формуле:
Ap_^=C/F,na, A7.13)
где F = nDH - средняя поверхность фильтрования, м^; D - внутренний диаметр барабана
центрифуги, м; И - высота барабана (в центрифугах периодического и
полунепрерывного действия) или длина зоны фильтрования(в центрифугах непрерывного действия), м;
445

б) более точно по формуле:
Ар^=20рУ(К',-К^) = 5рУ(О^-О1), Па, A7.14)
где р^ - плотность суспензии, кг/м; D^ = 2R\ - диаметр внутрениего слоя жидкости, м;
Dj = 2R2 - внутренний диаметр барабана, м; « - частота вращения центрифуги, с-';
Фактором разделения в центрифугах называется отношение ускорения центробежной
силы к ускорению силы тяжести:
f = C/P = (u'R/g^20F^, A7.15)
где R - радиус барабана, м; со - угловая скорость с-'; Фактор разделения представляет
собой видоизмененный критерий Фруда (центробежный); /^ = DnVg.
Скорость фильтрования может быть выражена в форме общего гидравлического
закона:
dw = dx = Ap^/R^^ A7.16)
где Др^ - перепад давлений при центрифугировании; R^ = R^ + R„^ - общее
сопротивление при центрифугировании, равное сумме сопротивлений осадков и фильтрующей
перегородки.
Величина сопротгивлений R^ и R„^ могут бьпъ рассчитаны по уравнениям
фильтрования или определены экспериментальным путем.
Глубина воронки жидкости, образуемой при вращении барабана центрифуги,
рассчитывается ориентировочно по формуле:
Л = 2л'/г',м, A7.17)
где п - частота вращения барабана, с-'; /? - радиус барабана, м.
По этой же формуле приближенно может бьггь рассчитана глубина воронки и в
аппаратах с мешалкой.
Расчет толщины стенки барабана центрифуги или проверка стенки на прочность
могут быть сделаны по уравнению:
/:,=(C,+Q)/2/, A7.18)
где К^ - допустимое напряжение материала на стенки барабана на разрыв. Па;/-
площадь сечения стеики барабана, м^ (так как действующее усилие воспринимается
обеими частями сечения барабана, то общая площадь сечения равна 2/); С, - центробежная
сила полукольца стенки барабана, Н; Cj - центробежная сила полукольца загрузки, Н.
Величина С, и Cj рассчитываются по уравнению A7.12). При этом расстояние от
центра тяжести вращающегося полукольца до оси вращающегося полукольца до оси
вращения определяется по формуле:
446

37t
K^2 ~^\ J
,M, A7.19)
где /?| и /?2 - внутренний и наружный радиусы полугальца, м.
Производительность ^(обьемный расход поступающей суспензии) отстойной цен-
трнфугн с ножевым съемом осадка типа ^ОГпри ламинарном режиме осаждения
определяется по видоизмененному уравнению:
F = F'-co--n 'MVc, A7.20)
где F' = IkRqL - поверхность зеркала суспензии в барабане, м^; Rq - внутренний радиус
гальцевого слоя суспензии, м; £ - длина барабана, м; со = т^- скорость осаждения
частиц под действием центробежной силы, м/с; cOq^ - скорость осаждения частиц под
действием силы тяжести, м/с;/- фактор разделения, определяемый по радиусу Rq, г\ -
коэффициент учитывающий отношение действительной и теоретической
производительности центрифуги, который при отсутствии опытных данных можно принимать равным
0,4-0,5 (он зависит от сгальжения жидкости относительно барабана, а также учитывает
наличие вихрей, затрудняющих осаждение).
Формула может бьпъ приведена к удобному для расчетов виду :
V = 25,Ът]1п^ Rim ^к A7.21)
Производительность трубчатой сверхцентрнфуги рассчитывается по формуле:
К<соК^/й ,mV4, A7.22)
где V^ = 0,785 f№ - D^)L - объем жидкости в барабане, м^; h - глубина потока, м; «-
частота вращения ротора, об/мин; со - старость осаждения, м/с.
Вакуум-фильтрование - также применяют для обработки водопроводных осадков
станции известгавого умягчения.
Предварительная обработка осадка, содержащего оксид алюминия, кислотой и
далее после уплотнения - известкованием, позволяет получать на вакуум-фильтрах кэк с
содержанием твердых веществ до 40 %.
Добавление к водопроводному осадку химических реагентов, флокулянтов, а
также минеральных или органических добавок(камеиноугольной пыли, древесной муки,
молотого мела) позволяет получить кэк с влажностью 62-78%. Например, при
добавлении к осадку, содержащему оксид железа, мартеновской пыли (при дозе более 20 г/л)
производительность вакуум-фильтров повышается в 2,5-3 раза. В этом случае объем кэ-
ка уменьшается на 25-30%.
За рубежом для обезвоживания водопроводного осадка применяют два типа
вращающихся барабанных вакуум-фильтров: со сходящим полотном и нанесением на
фильтровальную перегородку дополнительного фильтрующего слоя. Успешная работа
вакуум-фильтров со сходящим полотном требует использования дополнительных средств
447

для обезвоживания осадков, в качестве которых могут выступить полимеры, известь
или их комбинации. Исследования по обезвоживанию водопроводного осадка,
содержащего оксид алюминия, при дозе извести 30-60% (по отношению к сухому веществу
осадка) показали, что концентрация твердых веществ в кэке может составлять 30-40%,
а при дозе полимера 3-6 кг на 1 т сухого вещества осадка концентрация твердых
веществ в кэке Составляет лишь 15-17%. Производительность вакуум-фильтров в обоих
случаях составляла 0,15-0,25 кг/См^ч).
Таблица 17.3
Характеристики центрифуг и ленточных пресс-фильтров
Характеристики
Степень обезвоживания осадков
Содержание в/в в фильтрате
Степень разделения жидкой и
твердой фаз
Расход флокулянта
Потребление эл/энергии
Степень зажржания тяжелых Me с
осадками
Срок службы до 1 -го кап.ремонта
Требования к содержанию песка в
осадке
Межремонтный пробег
Требования к содержанию жиров и
нефтепродуктов в осадках
Внешний вид осадка
Стоимость машины
производительностью 30 м'/час
Ед.изм.
% поде.
мг/л
%
кг/1тн сух.
кВт/час на
1тн сух.
%
год
%
мес.
DM
Центрифуги
20-25
1000
98
4-6
60-100
70
3-4
не более 1
3-4
отсутств.
тестообразная
масса,
налипает на стенки
контейнеров
400000
Ленточные пресс-
фильтры фирмы
"Бельмер"
25-30
1000
98
4-6
40-60
90
8-10
не регламентируется
12
не должно
ухудшать работу Сит
чешуйчатая
структура, не налипает
на отенкн
контейнеров
260000
Конструктивные особенности вакуум-фильтров и свойства обрабатываемых
осадков (содержащих гидроксид алюминия) маломутных цветных вод с добавлением
извести ие позволяют добиться влажности кэка меньше, чем 80-84%). Недолговечность ткани
вакуум-фильтров отечественных конструкций, высокая стоимость эксплуатации,
большой расход реагентов сдерживают применение данного метода для обезвоживания
осадков водопроводных станций, содержащих оксид алюминия.
Среди фильтров непрерывного действия известны вакуум-фильтры барабанные,
дисковые, ленточные и рад других. Основные характеристики фильтров представлены
в табл. 17.4.
Используют барабанные вакуум-фильтры с наружной фильтрующей
поверхностью, характеризующиеся высокой скоростью фильтрования, пригодностью для
обработки разнообразных суспензий, простотой обслуживания.
Основными задачами при проектировании являются расчет требуемой
поверхности фильтрования, подбор по каталогам стандартного фильтра и определение числа
фильтров, обеспечивающих заданную производительность.
448

Таблица 17.4
Основные параметры барабанных вакуум-фильтров общего назначения с наружной
фильтрующей поверхностью
Фильтр
БОШЗ-1.75Р
БОШ5-1,75Р
Б03-1,75К
Б05-1,75К
Б05-1,75У
Б010-2,6У
Б010-2,бР
Б020-2,бУ
Б040-ЗУ
Рф'
м^
3
5
3
5
5
10
10
20
40
шт.
16
18
24
24
24
24
24
И, с'
0,00167-
0,0333
0,00167-
0,0333
0,00167-
0,030
0,00217-
0,0333
0,00167-
0,0333
0,00217-
0,0333
0,0095;
0,0142;
0,0287
Распределение зон по поверхности барабана
(в угловых градусах)
Ф*
107
125
124,
5
132
125
132
135
Фс1
71
60
67
59,
5
71
59.
5
56,
5
Ф.2
101
99
103
103
93,5
103
103
Фо
19
25
20
20
19,
5
20
20
Фр
20
24
20
20
18
20
20
Ф«1
2
4
2
2
2
2
2
Ф«
5
5
5
5
4,5
5
5
Ф«з
30
14
13,
5
13,
5
22,
5
13,
5
13,
5
Ф«
5
4
5
5
4
5
5
Примечание: Рф - поверхность фильтра; z, - число ячеек; п - частота вращения барабана;
Фф - угол сектора фильтрования; cp^i ■ сектор подсушки осадка; (?„_ - сектор промывки; (р^2"
сектора мертвых зон соответственно между I и 11, II и III, III и IV, IV и I технологическими зонами.
Расчет проводят в два этапа. На первом определяют ориентировочно общую
поверхность фильтрования, на основании которой выбирают число фильтров и их
типоразмер. На втором этапе уточняют производительность выбранного фильтра и число
фильтров.
Схема барабанного вакуум-фильтра представлена на рис. 17.11. Фильтр имеет
вращающийся цилиндрический перфорированный барабан 1, покрытый металлической
сеткой 2 н фильтрованной тканью 3. Часть поверхности барабана C0-40%) погружена в
суспензию, находящуюся в корыте 6. С помощью радиальных перегородок барабан
разделен на ряд изолированных друг от друга ячеек (камер) 9. Ячейки с помощью труб 10,
составляющих основу вращающейся части распределенной головки 11, соединяются с
различными полостями неподвижной части распределительной головки 12, к которым
подведены источники вакуума и сжатого воздуха. При вращении барабана каждая
ячейка последовательно проходит несколько зон (I-IV на рис. 17.11).
Зона I - зона фильтрования и подсушки осадка, где ячейки соединяются с линией
вакуума. Благодаря возникающему перепаду давления (с наружной стороны барабана
давление атмосферное) фильтрат проходит через фильтровальную ткань 3, сетку 2 и
перфорацию барабана 1 внутрь ячейки и по трубе 10 выводится из аппарата. На наруж-
449

ной поверхности фильтровальной ткани формируется осадок 4. При выходе ячеек из
суспензии осадок частично подсушивается.
Зона II - зона промывки осадка и его сушки, где ячейки также соединены с линией
вакуума. С помощью устройства 8 подается промыаная жидкость, которая проходит
через осадок и по трубам 10 выводится из аппарата. На участке этой зоны, где промывная
жидкость не поступает, осадок высушивается.
Зона III - зона съемки осадка; здесь ячейки соединены с линией сжатого воздуха
для разрыхления осадка, что облегчает его удаление. Затем с помощью ножа 5 осадок
отделяется от поверхности ткани.
Зона IV - зона регенерации фильтровальной перегородки, которая продувается
сжатым воздухом и освобождается от оставшихся на ней твердых частиц.
^
Ч-
Рис. 17.11. Схема барабанного вакуум-фильтра:
1 - вращающийся металлический перфорированный барабан; 2 - волнистая проволочная сетка;
3 - фильтровальная ткань; 4 - осадок; 5 - нож для съема осадка; 6 - корыто для суспензии; 7 -
качающаяся мешалка; 8 - устройство для подвода промывной жидкости; 9 - ячейки барабана;
10 - трубы; 11, 12 - вращающаяся н неподвижная части распределительной головки; 13 - подача
суспензии
После этого весь цикл операций повторяется. Таким образом, на каждом участке
поверхности фильтра все операции происходят последовательно одна за другой, но
участки работают независимо, поэтому в целом все операции происходят одновременно, и
процесс протекает непрерывно.
В корыте 6 для суспензий происходит осаждение твердых частиц под действием силы
тяжести, причем в направлении, противоположном движению фильтрата. В связи с этим
возникает необходимость перемешивания суспензии, для чего используют мешал!^' 7.
Следует отметить, что ячейки при вращении барабана проходят так называемые
«мертвые» зоны, в которых они оказываются отсоединенными от источников как
вакуума, так и сжатого газа. Распределение зон по поверхности для стандартных фильтров
общего назначения приведено в табл. 17.4.
Исходными данными для расчета фильтра являются требуемая производительность
по фильтрату, перепад давления при фильтровании и промывке, массовая концентрация
твердой фазы в исходной суспензии. Кроме того, из экспериментов должны быть
определены константы фильтрования, удельное сопротивление осадка и сопротивление
450

фильтровальной перегородки; влажность отфильтрованного осадка; удельный расход
промывной жидкости (т.е. расход, необходимый для промывки 1 кг осадка);
минимальная продолжительность окончательной сушки осадка; оптимальная высота слоя осадка
(как правило, она составляет 7-15 мм).
Перед расчетом на основании стандартной разбивки поверхности фильтра на
технологические зоны (см. табл. 17.4), задаются значениями углов сектора предварительной сушки
осадка, зон съема осадка, регенерации фильтровальной перегородки, мертвых зон.
Ориентировочная частота вращения барабана, обеспечивающая образование осадка
заданной толщины, его промывку и сушку, может быть определена по уравнению:
„=: -^ A7.23)
збогтф+т„,+т,2;
где Тф, т„ Тс2 - продолжительность соответственно фильтрования, промывки и сушки
осадка после промывки.
Продолжительность фильтрования рассчитывают по уравнению A7.24),
получаемому путем решения дифференциального уравнения фильтрования для случая
постоянного перепада давления на фильтре:
2Ар Xq Ар Xq
где |1 - вязкость фильтрата; х, - масса твердой фазы, отлагающейся г.ри прохождении
единицы объема фильтрата, кг/м^; г, - массовое удельное сопротивление осадка, м/кг;
Кф„ - сопротивление фильтровадьной перегородки, м-'; Др - перепад давления на
фильтре; hg^ - высота слоя осадка на фильтре; Хд - отношение объема осадка на фильтре к
объему полученного фильтрата. (Обычно при экспериментальном определении констант
фильтрования получают величину гд - удельное объемное сопротивление осадка, м-2. В
этих случаях перейти к величине г, можно но основе соотношения X(/-q= х^г^).
Необходимые для выполнения расчетов величины Xq и х^ определяют следующим
образом:
Ал — ■
^' = "* /^ "^ , A7.26)
где х^„ - концентрация твердой фазы в суспензии, масс, доли; сОо^ - влажность осадка
после фильтрования, масс, доли; р^ - плотность жидкой фазы; р^^ - плс/гность влажного
осадка, определяемая по вьфажению:
451

где Рп, - плотность твердой фазы.
Продолжительность промывки осадка рассчитывают по уравнению, получаемому
решением дифференциального уравнения фильтрования для случая постоянных
разности давлений и скорости фильтрования:
_1^щ,жРос-''е-Хе-\^пр-^ос ( R. ^
пр
^Рпр-^О
^ос+Х,-
фп
в в /
A7.28)
где v^ ^ и Цпр - удельный расход и вязкость промывной жидкости; Дрпр - перепад
давления на фильтре при промывке осадка; к - коэффициент запаса, учитывающий
необходимость увеличения поверхности сектора промывки по сравнению с теоретическим
значением {к= 1,05-1,2).
Продолжительность сушки осадка после промывки задают на основании
экспериментальных данных.
Продолжительность полного цикла работы фильтра представляет собой величину,
обратную частоте вращения барабана:
т,-//«, A7.29)
Требуемую общую поверхность фильтрования находят по выражению:
Роб=^об-\^(^ф^-^п)< A7.30)
где Коб" заданная производительность по фильтрату, м^/с; К„ - поправочный
коэффициент, учитывающий необходимость увеличения поверхности из-за увеличения
сопротивления фильтровальной перегородки при многократном ее использовании (/С=0,8);
^Фуд - удельный объем фильтрата, т.е. объем, получаемый с 1 м^ фильтровальной
перегородки за время фильтрования, определяемый как:
^Ф.у0=^^/хо- A7.31)
По найденному значению F^ из каталога выбирают типоразмер фильтра и
определяют требуемое их число.
Затем проверяют пригодность выбранного фильтра. Для этого устанавливают
соответствие рассчитанной частоты вращения барабана диапазону частот, указанному в каталоге, и
сравнивают рассчитанный и стандартный угаы сеетора фильтрования. Если частота выходит
за рамки указанного диапазона или рассчитанный угол фильтрования больше стандартного,
следует повторно выполнить расчеты, задавшись другой высотой слоя осадка.
Затем проводят уточненный расчет фильтра. По каталогу принимают данные
распределения технологических зон. Частоту вращения барабана принимают наименьшей
из рассчитанных по следующим зависимостям:
452

n,=i?ф/C60■Xф) A7.32)
A7.33)
Ф«р+Ф.2
Применение ленточных фильтр-прессов для обезвоживания гидрооксидных
осадков стало возможным благодаря широкому распространению синтетических
полиэлектролитов (флокулянтов) различного типа, позволяющих кондиционировать осадок
перед механическим обезвоживанием.
Основными преимуществами ленточных фильтр-прессов перед другими видами
оборудования для механического обезвоживания осадка (камерными фильтр-прессами,
вакуум - фильтрами, центрифугами) являются более высокая производительность,
низкие энергоемкость, капитальные и эксплуатационные затраты. Ленточные
фильтр-прессы отличаются также возможностью обезвоживания неуплотненного осадка
влажностью до 99%.
По значениям влажности обезвоженного водопроводного осадка G7-84%)
ленточные фильтр-прессы несколько уступают камерным фильтр-прессам и сопоставимы,
либо превосходят центрифуги (декантеры). Потребляемая мощность на тонну сухого
вещества 5-20 кВт.
Ленточные фильтр-прессы предназначены для механического обезвоживания
осадков под действием сил гравитации, вакуума и давления.
Основными элементами конструкции ленточных фильтр-прессов являются:
устройства подачи и распределения осадка на пресс, фильтровальные ленты, привод
фильтр-пресса, система, обеспечивающая заданные направления движения лент и
степень их натяжения, узлы отжима осадка, узлы промывки фильтровальных лент,
системы сбора и отвода промывной воды и фильтрата, ножи для съема обе^'воженного
осадка с лент. Общим конструктивным элементом ленточных фильтр-прессов являются две
непрерывно передвигающиеся параллельно друг другу фильтровальные ленты, между
которыми отжимается осадок. Промывка фильтрующих лент производиться при
помощи устройств гю типу «водяных флейт». Применяются ленты из полиэфирной,
лавсановой или пропиленовой одно- или многослойной ленты. По направлению движения лент
ленточные фильтр-прессы подразделяются на горизонтальные, вертикальные, угловые,
петлеобразные и барабанные.
Независимо от конструктивных особенностей ленточные фильтр-прессы имеют
следующие основные технологические зоны:
зона гравитационного обезвоживания на фильтровальной ленте после
кондиционирования полиэлектролитами;
зона предварительного фильтрования;
зона окончательного отжима влаги;
На рис. 17.12 представлена схема ленточного фильтр-пресса - «Винкельпресс Бель-
мер». Обработанный флокулянтами осадок поступает на фильтр-пресс. В первой зоне
обезвоживания кондиционированный осадок обезвоживается за счет свободной
фильтрации воды через горизонтальную фильтровальную ленту. В следующей фазе
обработки осадок поступает в вертикальную щахту клиновидной формы, где обезвоживается
под действием гравитации и небольшого, постепенно увеличивающегося давления.
453

Фильтрация происходит через обе ленты. Следующая фаза обезвоживания - фильтращм
на перфорированном барабане, как наружу, так и внутрь барабана. Окончательное
обезвоживание производится между лентами на системе отжимных роликов. Обезвоженный
осадок снимается с леит после их разделения при помощи специальных ножей.
W.
-Т-@>ч
jsns
@ ^щ'.
^
Рис 17.12. Угловой ленточный
фильтр-пресс Бельмер:
1 - зона предварительного грави-
тациоиого обезвоживания; 2 -
вертикальная клинообразная зона
■'и фильтрования; 3 - зона
фильтрования на перфорированном барабане; 4 - зона окончательного
отжима на системе валков; Л/ - подача осадка на обезвоживание;
О- верхняя сетка; U- нижняя сетка; Л- узлы промывки лент; F
- съем обезвоженного осадка
Параметры работы ленточных фильтр-прессов при обезвоживании осадков
природных вод в связи с разнообразием их свойств и параметров работы водопроводных
станций необходимо принимать на основании технологических изысканий на конкретном
объекте.
Величина давления фильтрования зависит от свойств обезвоживаемого осадка и
определяются сжимаемостью осадка и может приниматься (при условии
предварительной подготовки осадка) 0,3-0,5 МПа.
Величина давления для промывки фильтровальных леит - 0,4-0,6 МПа, расход
промывной воды - 4-8 м^/час.
Основным параметром работы ленточных фильтр-прессов является
производительность, которая может выражаться в кг сухого вещества, снимаемого с 1 м ширины
ленты в течение одного часа.
Производительность ленточных фильтр-прессов по сухому веществу осадка
Q кг/(мчас), выраженная через концентрацию исходного осадка, может бьпъ
рассчитана по формуле:
Q = g-C,,JL,
A7.34)
где g - подача осадка на обезвоживание, м^/час; С^^ - концентрация исходного осадка,
кг/м^; L - ширина ленты, м.
В таблице 17.5 приведены результаты обезвоживания водопроводных осадков на
ленточных фильтр-прессах по зарубежным и отечественным источникам.
Основное и необходимое условие обезвоживания осадков природных вод на
ленточных фильтр-прессах - предварительное кондиционирование флокулянтами.
Применение флокулянтов позволяет связать твердые частицы осадка в крупные агрегаты, в
результате происходит отделение твердой фазы осадка от жидкой и эффективное
дренирование иловой жидкости в непрерывном режиме. Тип, дозы и режим ввода флокулянта
454

для каждой конкретной технологической задачи определяются экспериментально. Для
предварительных расчетов можно принимать дозу флокулянта в пределах до 3 - 6 кг/1т
сух.веш-ва.
Таблица 17.5
Результаты обезвоживания гидрооксидиых осадков водопроводных станций
иа ленточных фнльтр-прессах
Вид осадка

Концентрация сухого
вещества в
осадке, %
Доза
реагента

Производительность по сухому
веществу кг/(м-ч)
Соде{»кание
сухого вещества
в кеке, %
по зарубежным источникам
Неорганический
гидрофильный,
очистка питьевой
воды солями А1, Fe
3-6
1,5-3 кг/1т
сух вещ-ва
80-150
16-23
по результатам отечественной практики ВОС г. Вологда
Гидроокисиый
осадок, обработка
сульфатом
алюминия цветных мало-
мутных вод
1-4
3-6,3 кг/1т
сух.вещ-ва
90-120
18-20
Приготовление раствора флокулянтов необходимо производить в специальных
устройствах (мешалках) в соответствии с требованиями производителя реагента.
Концентрация рабочего раствора обычно принимается 0,1-0,5 %.
В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность выпускает
большое число ленточных фильтр-прессов различных конструкций и типоразмеров,
пригодных для обезвоживания осадков природных вод. Ниже приводятся технические
характеристики некоторых из них.
Таблица 17.6
Технические харакгернстики углового ленточного пресса W^*,
производитель Гебр. Бельмер ГмбХ (ФРГ)

Типоразмер
05
08
1
2
3
4
Ширина
сетки, м
500
800
1200
1700
2200
2700

Производительность*,
м'/час
до 5
5-10
10-15
15-25
20-35
30-50
Длина,
мм
5000
5000
5000
5100
5500
5700
Ширина,
мм
1300
1600
2000
2800
3400
4000
Высота,
мм
2700
2700
2700
3000
3300
3300
Вес, кг
2900
3600
4300
7000
9000
14000
Процесс обезвоживания осадка на ленточном фильтр-прессе происходит в
непрерывном режиме при обязательном предварительном кондиционировании осадка и
постоянной промывкой фильтровальных сеток.
455

ши
MMl.
7^
\7
*r
ю
Рис. 17.13. Технологическая схема обезвоживания осадка иа ленточном фильтр-прессе:
1 - промежуточная емкость осадка; 2- иасос подачи осадка иа обезвоживание; 3 - установки
приготовления флокуляита; 4 - устройства ввода-смешеиия флокуляита; 5 - иасосд1-дозаторы флоку-
лянта; 6 - леиточиый фильтр-пресс; 7 - бак промывной воды; 8 - иасос подачи воды на
промывку лент; 9 - отвод фильтрата; 10 - отвод промывной воды; 11 - бункер обезвоженного осадка
Автоматические фильтр-прессы с механическим зажимом фильтровальных плит
типа ФПАКМ (фильтр-пресс автоматический, камерный, модернизированный) с
площадью поверхностного фильтрования 2,5-100 м^ обеспечивают удовлетворительные
результаты при добавлении к водопроводному осадку извести, выполняющей в этом случае
роль реагента и присадочного материала благодаря ее низкой растворимости, большому
содержанию инертных примесей, высокой дисперсности и низкой плотности. Эффекгав-
ность применения фильтр-прессов зависит от качества исходной воды, поступающей на
водопроводную станш1Ю и, как следствие - от качества водопроводного осадка,
поскольку от этого зависит расход извести для кондиционирования водопроводного осадка.
Таблица 17.7
Технические характеристики ленточных фильтр-прессов ЛФ НПФ «БИФАР»

Типоразмер
ЛФ -500 П
ЛФ -750 П
ЛФ-1500П
Ширина
сетки, м
500
750
1500

Производительность*,
м'/час
1-2
2-5
5-15
Длина, мм
2600
2600
3700
Ширина,
мм
950
1200
2000
Высота,
мм
1880
1880
1900
Вес, кг
950
1200
2500
• - производительность зависит от свойств осадка
Повышение степени обезвоживания и производительности фильтр-прессов может
быть достигнуто путем введения в качестве присадочного материала каолинитовой
глины и нагрева уплотненного осадка при скорости подъема температуры 3-8 °С в 1 мин.
Влажность обезвоженного осадка составляет 62%, а производительность
фильтр-пресса повышается до 11 кг1{и^ч).
Обезвоживание водопроводного осадка на фильтр-прессах с добавлением извести
или других присадочных материалов приводит к образованию боль'иого количества
фильтрата, обогащенного загрязнениями, в состав которых входит алюминий, и
требует дополнительной обработки.
456

Из-за применения большого количества реагентов, присадочного материала,
высокой стоимости эксплуатации и дополнительных сооружений по обработке фильтрата
применение фильтр-прессов сдерживается, особенно для осадков, образующихся при
обработке высокоцветных маломутных природных вод.
Установка по обезвоживанию осадка природных вод на ленточном фильтр-прессе
включает в себя следующие элементы: промежуточная емкость для выравнивания
подачи осадка (при необходимости), насосы и трубопроводы подачи осадка на
обезвоживание, ленточный фильтр-пресс, установки приготовления дозирования и ввода флокулян-
та, систему удаления обезвоженного осадка, подвода и удаления промывной воды,
трубопроводы отвода фильтрата.
Фильтрат ленточных фильтр-прессов может использоваться после очистки для
промывки фильтровальных лент.
На рис. 17.13 представлена технологическая схема обезвоживания осадка на
ленточном фильтр-прессе.
Оптимальная эффе1сгивность обезвоживания для каждого типа осадка достигается
регулированием:
-подачи осадка на фильтр-пресс;
-дозы флокулянтов;
-линейной скорости движения лент @,5-4 ммУмин);
-равномерного натяжения фильтровальных лент
17.6. Обработка и утилизация осадков водопроводных станций
Направления утилизации осадков зависят от химико-минералогического и
физико-химического составов, содержания в них ценных веществ и компонентов, а также от
водоодающей способности осадков.
Формирование водопроводного осадка, его характеристики и химический состав
непосредственно связаны с качеством исходной воды. Если исходная вода сильно
загрязнена (например, при разливах рек), то содержание сухого вещества в осадке может
достигать 100 г/л, в обычных условиях оно не превышает 15 г/л. Осадок после очистки
воды часто содержит значительное количество органических веществ
(БПК2о=400-2000 мг/л, ХПК = 500-1000 мг/л) и гидроксидов металлов. После
прокаливания осадка в его составе могут содержаться: Si02 - до 45%, AI2O3 - до 40%, РсгОз -
до 5%, СаО - до 3%, MgO - до 2%. Химический состав указывает на возможность его
применения в качестве добавок к сырью стройматериалов. Наличие в осадке до 40%
оксида алюминия позволяет рассматривать его не как отход, а как исходное сырье для
получения сорбента и регенерированного коагулянта (регенерата после кислотной
обработки осадка). Некоторые направления утилизации водопроводных осадков
представлены на рис. 17.14. После обработки осадка щелочью, газообразным хлором или, что
наиболее эффективно, кислотой можно получить эффективный коагулянт (регенерат) для
неоднократного использования в технологии очистки воды. Для очистки сточных вод от
фосфатов и некоторых органических загрязнений можно использовать сорбент,
полученный термообработкой (при температуре 160*'С в течение 24 часов) водопроводного
осадка. Последовательная обработка воды на загрузке из сорбента (оксида алюминия) и
активированного угля обеспечивает снижение концентрации общего органического
углерода на 95%. Получение сорбента основано на термообработке в 2 этапа:
457

• испарение свободной воды при 120" - 1ЗСС;
■ удаление связанной воды при 160" - ZOO^C.
ВОДОПРОВОДНЫЙ ОСАДОК
ОБЕЗВОЖИВАНИЕ ОСАДКА
СТРОЙИНДУС
ТРИЯ
ЛИТЕЙНОЕ
ПРОИЗВОДС
ТВО
ОБРАБОТКА ОСАДКА КИС-
ЛОТОЙ, ЩЕЛОЧЬЮ ИЛИ
ХЛОРОМ
ТЕХНОЛОГИЯ
ПОДГОТОВКИ
ВОДЫ КОАГУ-
ЛЯНТАШТ
ТЕРМО-
ОБРАБОТКА
ТЕХНОЛОГИЯ
ОЧИСТКИ СТОЧ
НЫХ ВОД ОТ
ФОСФАТОВ
Рис. 17.14. Направления утилизации водопроводных осадков
Еще одним направлением утилизации осадка является использование его в
качестве добавок к сырью стройматериалов. Ученые УкркоммунНИИпроекта предлагают
осадки, полученные при очистке поверхностных водоисточников средней мутности,
использовать в качестве керамического сырья, компонентов строительных материалов, в
том числе цементов, бетонов, защитных покрытий; осадки, полученные при очистке
высокоцветных маломутных вод поверхностных водоисточников, использовать для
получения пористых заполнителей и фильтрующих материалов.
Применение осадков в качестве керамического сырья определяется количеством в них
гидроокиси алюминия и других продуктов гидролиза алюмосодержащего коагулянта.
Наличие аморфного гидроксида алюминия в осадке двояким образом влияет на
прочностные характеристики обожженных образцов. Увеличение его содержания в
осадках повышает температуру спекания и показатель огнеупорности керамических
изделий, а при больших его количествах происходит разрушение образцов вследствие
существенной усадки гидроокиси алюминия при нагревании.
Смешивание осадков с предварительно увлажненной бетонной смесью в
количестве, обеспечивающем водоцементное отношение, придает прочность изготовленным из
этой смеси изделиям, идентичную прочности изделий из бетонной смеси,
приготовленной на водопроводной воде.
Использование водопроводного осадка в составе цементных сырьевых смесей в
качестве добавки взамен дефицитных высокоалюминатных обводненных глин повышает
прочность цемента. Это было проверено на заводе института Южгипроцемеит при
выпуске опытной партии портландцемента. В состав цементной сырьевой смеси вместо
глинистого компонента ввели обезвоженный осадок. Содержание в клинкере трехкаль-
циевого алюмината бьшо увеличено, повысилась и прочность цемента на 30-50 кгс/см^.
458

Получение быстротвердеющей смеси, обладающей повышенной прочностью, может
быть достигнуто путем добавления водопроводного осадка к жидкому стеклу и цементу.
Термодинамический анализ процессов, происходящих при получении автоклавных
строительных изделий с использованием водопроводного осадка, показал
энергетическую выгодность реакций, лежащих в основе твердения этого материала. Некоторые
авторы отмечают пластифицирующее действие сьфьевой смеси, используемой при
производстве силикатных покрытий для автоклавов при добавлении осадка, и возможность
снижения давления прессования. При производстве силикатного кирпича благодаря
добавлению водопроводного осадка (до 5% по массе) могут быть снижены
эксплуатационные расходы и увеличена производительность технологического оборудования.
Посредством высокотемперагуриого обжига сырьевых смесей при изготовлении
стеновых керамических изделий авторы отмечают возможность их формования
практически целиком из осадков водопроводных станций.
В литейном производстве в качестве защитного жаростойкого покрытия для
поддонов и изложниц рекомендуется использовать водопроводный осадок. Его огнеупорность
1300°С, вполне достаточна для применения в качестве изолирующего покрытия.
Наличие в шламе органических примесей B0-30%) обеспечивает газотворную способность
осадка при заливке стали.
Опудривание гранул при производстве керамзита повышает качество, увеличивает
выпуск заполнителя и позволяет полностью отказаться от дорогостоящего
высокоупорного опудривателя — глинозема.
Широкое внедрение находящихся в стадии проработок новых предложений
сдерживается отсутствием постоянно действующих цехов механического обезвоживания
осадков водопроводных станций, сложностью транспортирования осадка на
предприятия, которые могли бы использовать его как сырье в производстве строительных
материалов.
459

18. ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ВОДООЧИСТНОЙ СТАНЦИИ
18.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Выбор состава сооружений водоподготовки и установление эффе1сгивного режима
их работы с целью получения очищенной воды требуемого качества по существу
является задачей оптимизации - одной из типовых задач, связанных с текущим
назначением режимов обработки воды и планированием деятельности станции на перспективу. К
характерным задачам относятся такие как: прогноз потребностей в реагентах на
заданный период времени; прогноз периодов нарушения нормативов; прогноз экстремальных
возможностей станции; обоснование реконструкции действующих и строительство
новых сооружений.
Выделяют задачи двух уровней. Задачи первого уровня относятся к оптимизации
технологической схемы водоочистного комплекса, а второго уровня направлены на
оптимизацию работы отдельных сооружений и установок или механизмов. Задачи по
оптимизации различных разделительных процессов, в том числе процессов очистки
природных и сточных вод, решались Синявиным М.М., Венециановым Е.В.,
Аюкаевым Р.И., Гординым ИВ., Найденко В.В., Кулаковой А.П., Шеренковым И.А. и
другими.
При решении задач по оптимизации технологических схем очистки природных вод
основными этапами работы являются:
- постановка задачи;
- выбор и обоснование критерия оптимальности (оптимизации);
- выбор управляемых переменных и анализ их влияния на критерий оптимизации;
- учет и анализ ограничений, накладываемых на процесс реальными
возможностями и требованиями;
- построение структурной модели оптимизации;
- сбор, анализ и подготовка технологических и экономических данных для
статистической обработки и получения регрессионных уравнений составляющих процесса;
- построение математических моделей составляющих процесса и формирование
основной функции цели;
- нахождение генеральной функции цели для всей технологической цепи.
Постановка оптимизационной задачи по всему водоочистному комплексу
формулируется следующим образом: для станции, состоящей из нескольких последовательно
работающих сооружений необходимо найти такие оптимальные значения
оптимизируемых параметров, при которых критерий оптимизации будет минимальный и при этом
будут выполняться наложенные ограничения на оптимизационные параметры /-го
сооружения, показатели качества исходной воды выбранного водоисточника и воды
подаваемой потребителю.
Различают три основные группы критериев оптимизации:
- технологические (эффект очистки, коэффициент полезного использования объема
сооружений и др.);
- термодинамические (коэффициент полезного действия и др.);
- экономические (норма прибыли, норма рентабельности капиталовложений,
годовые приведенный затраты, чистый дисконтированный доход, внутренняя норма
доходности, минимальный срок окупаемости и др.).
460

Выбор критерия оптимизации определяет цель и в значительной степени
результаты решения оптимальной задачи. Необходимо учитывать, что технологические
критерии не включают всей совокупности факторов, учитываемых при проектировании
водоочистных сооружений, а применение термодинамических критериев во многом зависит
от полноты информации об энергетических затратах при реализации технологического
процесса.
При сравнении вариантов организации производства, эквивалентных по
технологическим показателям, предпочтение отдается экономическим критериям, как наиболее
универсальным и позволяющим осуществлять комплексную оценку водоочистного
процесса с учетом технологических, конструктивных и экономических факгоров.
Экономические критерии принимают в соответствии с типовыми методиками.
18.2. СТРУКТУРНЫЕ БЛОК-СХЕМЫ
Течение любого водоочистного процесса определяется множеством
взаимосвязанных между собой параметров (рис. 18.1):
- входные параметры х^, X2...Xi (например, концентрации и состав фоновых и
антропогенных загрязнений исходной воды) не зависящие от режима процесса;
- управляемые параметры pi,/72-А (например, дозы реагентов, скорость
фильтрования и др.), оказывающие прямое воздействие на ход процесса;
- возмущающие параметры, которыми невозможно управлять (например,
колебания доли активного вещества в товарном реагенте);
- выходные параметры _у,, зависящие от качества исходной воды и принятом
режиме процесса очистки воды, суммарного воздействия указанных выще параметров.
Оптимизация режимов работы комплекса водоочистки достигается в результате
варьирования управляемых переменных: дозы реагента, продолжительности процесса
очистки и др. Сложность рещения задачи оптимизации определяется числом
управляемых переменных (по возможности, целесообразно исключить переменные, мало
влияющие на величину критерия оптимизации).
При рещении задач оптимизации при моделировании технологических процессов
необходимо принимать во внимание объективно существующие ограничения, которые
накладываются на входные, управляемые (оптимизируемые) и выходные параметры и
характеристики состояния процесса (табл. 18.1). При оптимизации работы
технологической схемы водоочистного комплекса эти ограничения вызваны диапазоном изменения
концентраций ингредиентов природного (фонового) и антропогенного происхождения,
обуславливающих качественный состав природных вод, условиями физической
реализуемости, надежности очистных сооружений, а также нормативными требованиями.
461

и
т
о
я
ш
м
и
I
о
90
I
V^
J
о
а
:^
о
5
1>
ё
о
§
о
t>
2
£
^
"^
3
Ё
6'
ас
Э^
^
о
~v
462

Таблица 18.1
Интервалы варьирования технологических параметрюв
№п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
И
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Технологические параметры
Доза хлора
Доза коагулянта
Доза полиакриламида
Продолжительность пребывания
воды в смесителе
Продолжительность пребывания
воды в камере хлопьеобразования
Вертикальная скорость в камере хлопье~
образования
Продолжительность отстаивания
Горизонтальная скорость движения воды
в отстойнике
Скорость фильтрования
Толщина фильтрующего слоя
Концентрация взвеси на входе в фильтр
Диаметр гранул загрузки
скорых фильтров
Доза озона
Продолжительность контакта воды с
озоно-воздушной смесью
Скорость фильтрования воды насорбци-
оиной фильтре
Продолжительность контакта воды с
сорбционной загрузкой
Относительное расширение
сорбционной загрузки
Интенсивность промывки сорбционного
фильтра
Расход обезвоженного осадка по
сухому веществу
Расход воды по станции
Усл.
обозначения
г"^ хдор
д.
Дплл
К.
кхо
V
кхо
отс
V
отс
"Ф
h
К„с
d.
г-^ оз
К,
сорб
сорб
^сорб
Ясорб
з^ос
Q.
Ед. изм.
мгСЬ/л
мг/л
мг/л
мни
мни
мм/с
час
мм/с
м/ч
м
мг/л
мм
мгОУл
мни
м/ч
мин
%
л/см^
т/сут
м^ч
Интервалы

варьирования
1,06-3,5
55-60
0,06-0,22
1.5-2,3
10-25
1,55-2,0
2,4-3,1
3-6
5-15
0,6-2
8-30
0,7-1,5
1-5
6-20
5-15
10-20
25-50
6-12
10-60
2400-3100
Как показывает практика, существуют прирщипиальные различия в подходе к
решению оптимизационной задачи для проектируемой и уже действующей водопроводной
станции, в частности к выбору и обоснованию критерия оптимизации, так в первом
случае, принимаются годовые приведенные затраты (включая капитальные вложения и
эксплуатационные расходы с обоснованным сроком окупаемости в строительстве), во втором
случае, принимаются суммарные годовые эксплуатационные затраты, причем та их часть,
которая зависит и от показателей качества воды и от оптимизируемых параметров.
463

Далее в качестве примера нами рассмотрены две технологические схемы очистки,
для которых были разработаны структурные модели оптимизации. На рис. ] 8.2
приведена структурная модель оптимизации технологической схемы очистки для питьевых
целей мутных цветных поверхностных вод, содержащих примеси антропогенного
происхождения, плохо поддающихся извлечению из воды без дополнительной ее доочистки
озонированием и сорбцией.
Основу такой модели составляют четыре блока: качества исходной воды (I);
комплекса основных и вспомогательных сооружений очистки воды, ее обеззараживания и
повторного использования промывной воды и обработки осадка (II); ограничений,
накладываемых на оптимизируемые параметры управления технологическими
процессами, и основные показатели качества воды (III); функционирования критерия
оптимизации с обратной связью (IV).
Упрощение оптимизационной задачи возможно при условии, когда заведомо
принимаются решения о незначительном влиянии параметров работы сооружений по
обработке и повторному использованию промывной воды и обработке осадков в процессе
эксплуатации станций водоочистки на конечный результат расчетов. Это допустимо в
тех случаях, когда возможность реализации нескольких режимов эксплуатации
сооружений по очистке промывных вод и их повторного использования, а также обработке
осадков в данных конкретных условиях резко ограничена или исключается вообще
(например, когда промывные воды после отстаивания по экономическим соображениям
сбрасываются для разбавления в водосток ниже по течению от размещения водозабора
и очистной станции), когда эксплуатационные затраты по этим блокам незначительно
сказываются на общей тенденции изменения приведенных затрат по станции в целом.
Пример структурной модели оптимизации такой технологической схемы
модернизированной водоочистной технологии с биопредочисткой на первой ступени и
применением новой конструкции осветлительно-сорбционных фильтров с плавающей
полимерной и тяжелой сорбционной загрузками приведен на рис. 18.3.
18.3. Математические модели водоочистных станций
При построении математических моделей комплекса технологических процессов
предполагается, что водоочистная станция состоит из нескольких сооружений
(модулей), через которые исходная вода проходит последовательно.
Каждый модуль оказывает влияние на показатели качества воды, причем
показатели качества воды на выходе какого-либо модуля являются входными показателями
качества воды для следующего модуля.
Каждый модуль влияет на один или несколько показателей качества. Все модули
водоочистной станции влияют на все учитываемые показатели качества воды, входящей
в г-ый модуль. Показатель кшестаа вхсдяшей на мсдупь воды ч^зез А^', а показатель выхсдящет
шмопуляводы через-Xg,'./ = 1,2,3,...,/1,1деп-мзличес1Бомс|пулей,тмлорыхсостот'станция.
Каждое сооружение и технологический процесс подготовки воды в нем
характеризуются большой совокупностью различных параметров (геометрические размеры
сооружений и устройств, дозы реагентов, расход обрабатываемой и промывной воды,
скорости движения воды и т.д.). Из всей этой совокупности определяются параметры (рис.
18.1), которые оказывают наибольшее известное влияние на изменение показателей
качества воды, обрабатываемой в сооружении. Эти параметры обозначим р^>, Pi',..., р„1
464

или (в векторной форме) р" = [р,', р-^,..., р„[У, где / - номер сооружения (модуля);
/и, - количество выделенных параметров для г-го сооружения.
В процессе решения задачи оптимизации эти параметры варьируют, и для них
выбирают оптимальные значения. Они являются оптимизируемыми.
На все параметры сооружений и технологических процессов, в том числе и
оптимизируемые, накладываются ограничения, определяемые условиями физической
реализуемости, эффективности, нормативными документами и т. д. Математически
ограничения представляются в виде равенств или неравенств, связывающих параметры.
Ограничения на оптимизируемые параметры /-го сооружения в виде:
О! X
8Я
I
II
Г
III
I
I
-► 2.
Первичное хлорирование
Щ
:zrj
Peai-ентиая обработоа
Отстаивание
I
1
Фильтрование
~1
Ооан|фова«11е
Т
Т^ГЗ
Сорбцион/1ое ф||.'гьгронаине
1
ТЗторнчиое х;юрир011зние
Очистка и повторное «спать*
зованкс промывных вод
Обелвожпванпр и утштл'Л1х\\я
осцдка
^^^^^-З:
ZIIm^)—>min
Р^Г1)«х:ионны^>1)авнг>ння (матем.
модели П1юцесса аод(х>чисткп)
IV
I
L l_J
Рис. 18.2. Структурная модель оптимизации технологических процессов очистки мутных
цветных вод с повторным использованием промывных вод, обезвоживания
и утилизации осадка
16 - 9858
465

II
Биологическая предочистка
-if-
1.
Ill
Первичное озонирование
^*f-
Реагснтпая обработка
11
^^-
II
Кинтактаое освехшгтольно*
сорбшюнное фильтрование
>^:
II
Обеззараживание воды
хтюрон
л
ZIbr-* min
РегрА0С1Юнны(> уравнения (матрм.
нцаел1г прощвосов коооочнстки)
Рис 183. Структурная модель оптимизации технологической схемы очистки маломутиых
цветных вод с повышенным содержанием органических веществ
^'Мр'2,..-,р:,)<0;
Ф;д/';\;'2.-,<)<а
A8.1)
или в векторной форме:
ф'(У)^0 , A8.2)
где /, - количество ограничений на оптимизируемые параметры i-го сооружения.
466

Для решения задачи оптимизации необходимо установить математические
зависимости показателей качества воды на выходе нз каждого сооружения от оптимизируемых
параметров и показателей качества воды на входе перед каждым сооружением. Эти
зависимости представляют собой математическую модель процесса очистки воды в
сооружении. Математическая модель может быть представлена дифференциальными,
разностными, интегральными, алгебраическими уравнениями в соответствии с нашими
знаниями технологического процесса.
Примеры таких математических зависимостей, полученных по результатам
исследований различных процессов, приведены в табл. 18.2. Для модулей структурной
модели определяются зависимости, связывающие оптимизируемые параметры с
концентрациями ингредиентов качества обрабатываемой воды. Например, в схеме очистки
маломутных цветных вод, реализуемой биопредочисткой, озонированием, реагентной
обработкой н доочисткой в осветлительно-сорбционном фильтре, оптимизируемыми
параметрами являются характеристики носителей прикрепленных микроорганизмов в
биореакторе, дозы озона и время контакта озоно-воздушной смеси с очищенной водой,
дозы коагулянта и мелкогранульного сорбента и др.
Важную роль в построении математической модели и ее адекватности реальным
процессам играют целенаправленно поставленные эксперименты на реальных водах и
систематические опытно-эксплуатационные наблюдения за работой каждого сооружения
конкретной станции в периоды характерного изменения качества воды в водоисточнике.
Показатели качества исходной воды согласуются с разработанной авторами
классификацией водоисточноков для выбора технологических схем очистки природных вод, а
граничные значения их концентраций в различные сезоны года определяются по
результатам статистической обработки данных гидрохимической и гидробиологической
информации. Показатели качества воды, подаваемой потребителю, определяются
нормативными документами.
X <Х A8.3)
■'' пот — ■'' норм
За критерий оптимизации (генеральную функцию цели) принимаются
приведенные затраты. Для каждого сооружения они являются функциями показателей качества
воды на его выходе и оптимизируемых параметров очистных сооружений:
n'=4"(^L.P'), A8.4)
где: Я' - приведенные затраты /-го сооружения; XJ - вектор показателей качества воды
на входе /-го сооружения; р' - вектор оптимизируемых параметров /-го сооружения.
Для всей станции в качестве критерия оптимальности принята минимальная сумма
годовых приведенных затрат каждого сооружения:
Z^= J^P'-^MHH, A8.5)
где Ф - годовые приведенные затраты станции; Л^- количество сооружений на станции.
16» 467

CO
и
о
u
z
X
§■
X
X
g
10
X
Z
X
5
с
о
u
о
z
X
10
s
о
X
Z
X
5
X
3"
о
о
g
10
X
10
о
X
u
z
s
n
X
X
IX
о
5
o
IS
X
Ё
о
en
X
a
R
X
10
a
с
о
5
a
u
i
^
1
>.
+ -5?
U X
X X
X о
11
is
5 1
о
X
a
S
§§
О О
s
1 2 ^
§ S i
Я ¥ о
1 5 в
п
«1
ел"
^^
о §
i
II
£
о
^
«л
о it
Ч
«л
0
>
0
о'
II
i
^
^
-Г if
Ч
3 .
о у
о" 5
о
о'
II
3
^
'Ч;
л"
5
о
X
S S
-
-J
5 1
о к
ел
ел'
II
«л
,^8
li
о' к
(S
VO
II
§
^
O* it
Ч
c^
о 3
о 3^
Si
vO
(S^
II
3
^
»n
oo"
»n
•*
UT
s
10 S
<N
о U
о »
С:
2 §■
о 5
^rt
oo'
II
»n
o'
•Ч;
6
i 1 js
5 X i >
с X ^ S
m
m
1^
«4
?
II
1
<N
o-
22
о
1
s
1
'Ч-
fN
Ч
00
(S
o'
II
■e-t
я &
о 5
4
о"
00
oo"
00
II
■е-
O^
<ч
гч'
S
a
о
5. =!
»n
.
1
«n
vi
:>
^
о
"С
1
с
fN ^
>
СП
11
:>
^
о
о
m
1
X X _
S т 1
^
468

об
1^
1^°
Cr
(N
О
)£
о
Ю
X
Z
X
T
8
10
u
s
X
(d
10
о
X
s
s
CD
a:
•е-
IX
X
X
о
S
я
с
о
и
о
с
S
X
о
о
о
ш
•е-
IX
с
о
и
z
U 10
g «1
о V
к!
•Si с
и^
v
1
1
»*1
г
с
с
>
о'
II
я
S
S
2
-
о
V
^-1
о 8
й ° 8
1?
о'
II
1
8
00
оо
С
m
° S
S
^
II
■е-
>
о"
II
■е-
Э
Б-
if
8
X
5
(N
V
00
2 8 2'S.
ел
II
"S.
O^
t:
f
с
С
2s
3
ел
II
<=■-е-
о §
t:
-5
■*
о"
II
S
5С jT
CQ Г
S 1
с; о S
m
V
о vft
5l
>
i
5'S.
о 8
n
о
II
у
i
О
о S
° s
о
II
tl
о
II
Ч
1
s
1
•Ч-
g
V
0^
^.5!
о
II
ь
о
К
iJ
^
оо
"С
"■ S
^^
II
1*
||
»п
о
V
il
1 а°
о S т
VO
469

Таким образом, постановка конкретной оптимизационной задачи по всему
технологическому комплексу водоочистной станции формулируем следующим образом: для
станции, состоящей из нескольких последовательно включенных сооружений,
необходимо минимизировать критерий A8.5) при выполнении ограничений A8.2), A8.3) и
найти оптимальные значения оптимизируемых параметров р\ р^,...,р^.
В соответствии с постановкой задачи математическая модель комплекса
технологических процессов, протекающих в сооружениях водоочистной станции, представляет
собой зависимость показателей качества воды на выходе сооружений соответствующих
требованиям от показателей качества на входе в них и оптимизируемых параметров:
^1вых ~ /l('^l«r''^2«r'^„„,P|,P2v4Pm)j
-^2.ь« =/2(-^|«.-^2«'-,-^^,А'Р2.-,Р„); A8.6)
^пввы - /п (^*z,' ^2ю:'—> ^пм 'Pi'Pi '—' Рт )»
где п - количество учитываемых показагелей качества воды; т - количество
оптимизируемых параметров.
Эти соотношения показывают зависимость основных лимитирующих показателей
качества воды и выбранных оптимизируемых параметров. Приемлемым способом
отыскания таких зависимостей, на наш взгляд, является статистический метод обработки
экспериментальных данных, полученных в процессе эксплуатации действующих
станций (табл. 18.2).
Для каждого показателя качества воды на основе экспериментальных данных
необходимо получить вектор коэффициентов. Последним этапом построения
математической модели является проверка адекватности решений. Минимум функционала A8.5)
достигается при оптимальных значениях оптимизируемых параметров в области границ
их абсолютных значений, диктуемых реальной практикой эксплуатации тех или иных
сооружений:
(P2)min^P2^(P2)m«' A8.7)
(р' ) . <р' <(р' ) ,
\r'mi'mm — г т^ Vi'm,/max'
/ = 1,2,...,ЛГ.
18.4. Решение оптимизационных задач
Одним из наиболее используемых методов нахождения минимумов функционала
при наличии ограничений в виде неравенств является метод штрафных функций. Для
470

решения данной задачи использована основа апробированной программной системы
MatLab. Реализация предложенной методологии оптимизации комплекса водоочистных
технологических процессов на станциях водоочистки апробирована на технологической
схеме очистки цветных маломутных вод (рис. 18.3). Для каждого их модулей были
найдены начальные расчетные зависимости типа /7' = £^ • V'/if' +Э', выраженные
выбранными оптимизируемыми параметрами.
Модули 1, 7. Обеззараживание воды.
Т =0 2B40 )"•" Л"-^^ 4 ^^^^ ^ W , .^.,
'1,7 "I'^V'^^Viil/ ''-'i хлор "'^ ^^Ч /^ хлор'-'хлор ' ^ ^ ХЛор-^ хлор
где Дхлор = ХП + 0,6 г/мЗ; ЗП^„р = 2,5 тыс.руб/мес; N^^ = 4 чел.; 5„„р = 2 тыс.руб/т.
П,,=0,2i24QS•*'дZ + 0,0lQ,Д^S^p + l2N^ЗП^,p ,
Модуль 2. Реагентное хозяйство (расходные и растворные баки, дозирующие
устройства, коммуникации, смеситель).
Я, =84,78B4^)""' +0,01(Д, -S, +Д„,, -5^,,) +12Л^_ЗЯ_ ,
Л?
ДпАА ~ 0,01 г/мЗ; S^ = 1,5 тыс.руб/т; S^,^^ = 2,2 тыс.руб/т; ЗП„да^ = 2 тыс.руб/мес.
где Д^=1,56 "" ^ ^-^^558 ,г/мЗ,(см.табл. 18.1),
Модуль 3. Камеры хлопьеобра^ования и горизонтальные отстойники.
n,=0,4Q. ■t^ + 6L,^-B„„,)S^,,+0,l2Q,iC„„„,-C^_^JS^,^ ,
где
Z,_ = elh^ = 3,9^ = 3,9 Ь^ V =
и ' « ' 1,25-0,2^-Э„„,
^39 (^--^^^
1,25-0,2^-
Q<,..=^/ + ^.+0.25Z/ + 10.r/M3
(с ~с
^^вх.отс вых.отс i ПЛО/
Г-
отс
3,6 у_й
отс j.omc
v„„^ = 3 мм/с; а = 1,3; 5 = 98%, Л = 18% - эффекты выпадения коагулированной
взвеси, при процентной скорости соответственно Ug = 0,2 мм/с и м^ = 1,2 мм/с.
С.^.««.= 10г/мЗ.
471

^ж/б ~ 2500 руб./м^ - удельная стоимость 1 м^ объема ж/б сооружений.
^про«.вод ~ 10 руб/мЗ - при продолжительности работы отстойника межг1у
промывками Т„„^ = 30 сут, С„о^ < 400 г/мЗ; 5 < 50 кг/мЗ.
Модуль 4. Фильтрование черр^ дрявяюшую пенополистирольную загрузку (ФПЗ-П
Я, =26,5
1 2G с/"'
19,5 + ^ +
V
I-
0^
У
3,15^,+791-^
vt.
+ 1,92
0,7
hO^^^^^^OA^
2 I4-I0"'L'"'^^
где ^ = ,,., ._д^,^з ''•' ^'^ < '^.^ <2,0 м; 5 < Уф <15 м/ч; 8 < Л4яс < 30 г/мЗ,
' „ Д,^3.367 j-0,175 ' ' ' V
^фЛ^отс ^ср ГА =1,08-1,2.
Модуль 5. Озонирование.
Я, = 0,286 (Д„5,, б,) + К. Q. 5_.^,. + 8760 5,^ Э„, б, Д. , тыс.руб
где S„, = 50000*29 = 1450000 руб./кгОз/ч; S^^^p^ = 5000 руб/мЗ; S^^ = 0,5 руб/квт-ч;
Эо, = 1000 руб./ кг/ч.
Модуль 6. Сорбционная доочистка на активированном угле.
Я, =1,17-
сорб
сорб сорб
60
1+
сорб
+ 0,3
^ж16 +
, тыс.руб
пром.сфЧсорб сорб
@,35з,+0,06/ ,)
где 5„рс«.сф = 10 руб/мЗ - стоимость промывной воды;
1„рац.сф ~ 5-6 мин. - продолжительность промывки сорбцнонного фильтра.
Модуль 8. Подготовка и повторное использование промьтных вод.
Укрупненные приведенные затраты определены в зависимости от
производительности станции в диапазоне Qcy„ = 25,7-125 мЗ/сут.
Яв -18,15бс;„ ,тыс. руб
472

Модуль 9. Уплотнение и механическое обезвоживание осадка очистной станции
на ленточных пресс-фильтрах.
Укрупненные приведенные затраты определены в зависимости от образуемого в
сутки сухого вещества осадка, при содержании взвешенных веществ на входе до 500 мг/л.
Я, =25,296^"' , тыс. руб.
Аналогичная работа была выполнена и для примера технологической схемы
водоочистной станции, представленной структурной схемой на рис. 18.3.
После анализа и исключения малозначимых составляющих из зависимостей
Я, =У(р„ дг,) они были упрощены и приведены к виду:
nl,^„,=0,2^6Qp]h^S^„_/V , A8.8)
П1^ = 2,86 -10^ р1 QS^ + 4,7 -10-^ р^ QS,„ + 8,765з Э„ р1 Q A8.9)
^(U = C • lO-'er, S^,,Ib^r + 0.876QS^ a)pi A8.10)
Я,1,)= 0,876.10-^№;, A8.11)
где Q - расход воды на станции; h„ и S „ - высота и удельная поверхность насадки
биореактора; Soy S^p, S^ S^gpg - соответственно стоимость 1 кг/ч озона, 1 м^ контактного
резервуара, 1 кВтч электроэнергии, 1 тсорбента;р,'...р,*-оптимизируемые параметры.
Для оптимизируемых параметров в рассмотренном примере приняты следующие
граничные области: степень наполнения биореактора волокнистой насадкой
@,1 <р,' < 0,2); время контакта озоно-воз11ушной смеси с водой E < pj^ < 35 мин);
доза озона A < Р2^ < 10 г/и); доза раствора коагулянта A < р,^ < 5 г/м^); доза сорбента
A0 < р/ < 50 г/м^), вводимого в верхние слои загрузки осветлительно-сорбционного
фильтра.
Критерием оптимальности для комплекса сооружений водоочистной станхши
является минимум значения приведенных затрат Ф^,„„:
ф..=Ж'+/7/+я/+я;). A8.12)
Следует ообо отметить, что функция Ф^ш находится не как сумма минимальных
значений приведенных затрат, а как результат расчета на ЭВМ всех возможных
вариантов взаимовлияния параметров Р/ и Х, по всей цепи последовательно работающих
основных водоочистных блоков.
Для рассмотренного примера и принятых исходных данных, оптимальные значения
стоимостных показателей и ограничений оптимизируемых параметров оказались
равными: р,' = 0,1; р,2 = 5 минут; Р2^ - 1 г/м^; р,з = 7,41 г/м^; р,* = 10 г/м^. При этом
концентрации анализируемых ингредиентов в воде на выходе из очистной станции составили:
А',(мутность) = 1,5 мг/л; А'2(цветность) = 3,8 град.ПКШ; Л'з(окисляемость) = 4,3 мг/л.
Разработанные методология, структурные и математические модели оптимизации
технологических схем водоочистки позволили создать программное обеспечение для
473

оперативного управления с помощью ЭВМ технологическими процессами на
действующих водопроводных станциях при изменяющемся качестве воды на их входе.
Реализация таких программ на практике требует предварительного анализа и обработки
многолетних и сезонных данных по эффективности работы каждого сооружения при
изменяющемся качестве исходной воды в створе конкретного водозабора и на входе в
станцию, выявления и уточнения основных оптимизируемых параметров работы
сооружений, установдеиия границ их изменения. Разработанная и апробированная методология
оптимизации комплекса технологических процессов очистки вод из поверхностных
водоисточников позволяет решать аналогичные задачи и для станций кондиционирования
подземных вод, очистки бытовых и промышленных сточных вод и водоочистных
систем оборотного водоснабжения.
18.5. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
водоочистных СТАНЦИЙ в ОПТИМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ
Автоматизированные и автоматические системы управления дают возможность
значительно интенсифицировать и оптимизировать технологические процессы,
сократить трудозатраты на обслуживание установок, повысить надежность работы станции,
снизить расход реагентов, повысить степень очистки воды и обеспечить снижение
себестоимости обработанной воды. Наибольший эффект дает комплексная автоматизация
всей водоочистной станции с широким применением средств вычислительной техники.
В настоящее время в мировой и отечественной практике водоснабжения на
теоретическом уровне и стадиях проектных разработок достаточно разработаны системы
автоматического управления насосами первого и второго подъема, поступления и отбора
воды из резервуаров, обеспечения требуемых напоров и расходов воды, подаваемой в
водопроводные сети. На этих составляющих системы водоснабжения достигнуто
реальное внедрение элементов контроля и управления сооружениями и устройствами.
Что касается систем контроля и автоматического управления технологическими
процессами (АСУ ТП) очистки воды на станциях, то они ограничены в основном контролем
уровней воды в резервуарах и параметров работы насосов по расходу @ и напору (Н).
В преобладающем числе на действующих водоочистных станциях управление
технологическими процессами осуществляется вручную или с помощью электрифицированных
приводов задвижек, дозаторов реагентов, работающих в полуавтоматическом режиме.
Из-за отсутствия надежных, апробированных в отечественных производственных
условиях, первичных автоматических приборов по быстрому и непрерывному
контролю за основными показателями качества обрабатываемой воды после основных
водоочистных блоков на станции, действующие регламенты и инструкции по зксплуатации
водоочистных сооружений предусматривают, как правило, изменение режимов работы
сооружений, только по указанию технологов на основе аналитического контроля за
качеством очищенной воды и сезонным изменением качества воды на входе перед
очистными сооружениями.
В данном разделе рассмотрен один из возможных подходов к комплексной
автоматизации станции водоочистки и алгоритмы оптимального управления
технологическими процессами очистки воды.
Характеристики объекта управления
Современные водопроводные очистные станции являются комплексами
сооружений, предназначенных для реализации ряда технологических процессов, конечная цель
которых - получение требуемого количества воды заданного качества.
474

Состав сооружений станции зависит от типа водоисточника (оггкрытый водоем,
подземный источник), качества воды в водоисточнике и других факторов. Далее
рассмотрим станцию как некоторую типовую, конкретизируя состав очистных сооружений. В
состав такой типовой станции входят, например, следующие сооружения (рис. 18.4):
насосная станция 1-го подъема A); смесители B); реагентное хозяйство и оборудование
для приготовления озоно-воздушной смеси C); камеры хлопьеобразования D); стгстой-
ники E); осветлительные фильтры F); контактный резервуар озонирования G); сорбци-
онные фильтры (8); резервуар чистой воды (9).
Состав сооружений типовой станции
1
,
)
Ре
агент
4
Ъ1
5
3
6
,
г
Озон
8
9
Рис. 18.4.
Работа каждого сооружения может быть автоматизирована. В таблице 18.3
приведен перечень основных сооружений и автоматизируемых процессов.
Таблица 18.3
Основные сооружения и
установки аодоочистной
станции
Водозаборные устройства и
насосные станции
Реагентное хозяйство
Смесители, камеры
хлопьеобразования,
отстойники
Фильтры
Контактный резервуар
озонирования
Резервуар чистой воды
Автоматизируемые процессы
Включение и отключение различных двигателей;
поддержание заданных технологических параметров водоз а>
борных устройств (скорость вращен ия сорозадерживаю-
щих сеток, уровни воды в приемных колодцах, давление
и расход воды в напорных водоводах и пр.), автоматич е-
ский контроль качества исходной воды и пр.
Приготовление реагентов в газообразной (хлор, озои и
др.), жидкой (коагулянт, ПАА, известь и др.), твердой
(активированные угли и др.) фазах; измерение п^амет-
ров растворов реагентов (масса, плотность, концентрация
и т.д.); дозирование приготовленных растворов реаге н-
тов; включение и выключение двигателей мешалок, и а-
сосов перекачки реагентов, насосов-дозаторов,
компрессоров; открытие н закрытие задвижек.
Контроль процессов и химических реакций; контроль
показателей качества воды
Регулирование скорости фильтрования; у правление
режимами работы промывных насосов и задвижек с эле к-
тропрнводами, контроль показателей качества воды п о-
сле фильтров.
Управление процессом озонирования; контроль
показателей качества воды.
Контроль уровней воды и показателей ее качества.
475

Анализ таблицы показывает, что процессы водоподготовки отличаются рядом
особенностей:
- каждое сооружение является сложным объектом, в котором протекает множество
процессов (механической, химической, тепловой, электрической);
- непрерывная смена режимов работы из-за колебаний всдопотребления и
изменений показателей качества исходной природной воды;
- территориальная рассредоточенность объектов, особенно при наличии
нескольких точек водозабора;
- большое количество разных, часто взаимосвязанных технологических процессов;
- сложность процессов водоподготовки.
Специфика каждого сооружения требует своей собственной системы управления.
Структура и алгоритмы управления каждой такой системы индивидуальны и
определяются технологическими процессами, протекающими в сооружениях.
Вместе с тем, работа всех сооружений объединена одной целью - подготовка воды
требуемого качества. Желательно также, чтобы затраты при этом были наименьшими.
Отсюда следует, что работа автоматических систем управления всех сооружений
должна быть скоординирована, согласована н подчинена единой цели.
Обслуживающему персоналу в удобном виде должна быть представлена
исчерпывающая информация о параметрах работы всей водоочистительной станции,
показателях качества воды и т. д. Необходимо также формировать отчеты по заданным формам,
накапливать данные о работе станции и качестве исходной воды, поддерживать связь с
другими объектами коммунального хозяйства и т.д.
Структура системы автоматизированного оптимального управления режимами
работы водоочистной станции
Структурный анализ водоочистительной станции позволяет расчленить ее на ряд
взаимосвязанных сооружений и устройств, решающих самостоятельные задачи.
Основной принцип организации станции - иерархический. Это означает, что все
составляющие части станция находятся в определенной подчиненности в соответствии с
условиями работы.
Поэтому автоматизированная система управления станции также должна строится
по иерархическому принципу. Конфигурация станции и опыт создания подобных
автоматизированных систем приводят к трехуровневой структуре управления.
Первый (нижний) уровень - это исполнительные механизмы (насосы, задвижки,
затворы, клапаны, вентили), а также устройства сбора инфс^мации (датчики давления, расхода,
температуры, уровнемеры, датчики определения показателей каяества воды и тл.).
Второй уровень - локальные системы управления (ЛСУ) отдельными
сооружениями. На этом уровне наблюдается большое разнообразие, так как технологические
процессы существенно отличаются. В настоящее время такие системы управления активно
внедряются в производство. Подобные системы управления автоматизируют работу
отдельного сооружения, позволяют достичь оптимального, в некотором смысле,
протекания технологических процессов в этом сооружении.
На третьем (верхнем) уровне осуществляется отображение для персонала
информации о функционировании станции, сбор и статистическая обработка данных,
подготовка отчетов, предупредительная и аварийная сигнализация, предусматривается
возможность связи с другими автоматизированными системами. Каждый из уровней
соединен с другим уровнем информационными связями в соответствии с иерархической
структурой. Верхний уровень может получить информацию от нижнего уровня только
476

через второй и наоборот. Таким образом, достигается функциональная законченность
каждого уровня и возможность их автономной работы снизу вверх.
В соответствии с изложенными принципами были разработаны технологические
требования к автоматизированной системе управления водоочистной станции,
структурная схема которой представлена на рис. 18.5. Кроме того, в качестве примера на
рис. 18.6 н 18.7 приведены струк1урные схемы локальных систем управления
фильтрами и сооружениями обработки промывной воды.
На рисунках 18.5-18.7. применены следующие обозначения:
• «Контрол. 1» - контроллер локальной системы управления (ЛСУ) насосной
станцией первого подъема и водозабора;
• «Контрол. 2» - контроллер подсистемы сбора, анализа и хранения
информации о показателях качества исходной воды;
• «Контрол. 3» - контроллер ЛСУ смесителем;
• «Контрол. 4» - контроллер ЛСУ камерой хлопьеобразования и отстойником;
• «Контрол. 5» - контроллер ЛСУ сооружением обработки промывной воды;
• «Контрол. 6» - контроллер ЛСУ скорым фильтром;
• «Контрол. 7» - контроллер ЛСУ озонатором и контактным резервуаром;
• «Контрол. 8» - контроллер ЛСУ фильтром с плавающей загрузкой;
• «Контрол. 9» - контроллер ЛСУ резервуаром чистой воды;
• «УСО» - устройство связи с одъектом;
• «К» - расходный бак коагулянта;
• «ПАА» - расходный бак флокулянта;
• «С1» - емкость с хлором;
• «НД» - насос-дозатор;
• «В» - электрифицированный вентиль;
• «Датчики» — совокупность датчиков показателей качества воды, расхода воды и
реагентов, давления и уровня, концентраций, температуры и др.
• «АРМ» - автоматизированное рабочее место;
• «РЧВ» - резервуар чистой воды;
• «ЭЗ» - электрифицированная задвижка;
• «Н» - насос.
Назначение остальных блоков и элементов понятно из текста на рисунках.
Технологические требования к приборам и средствам автоматизации
Технические средства, с помощью которых строится автоматизированная система
управления, делятся на следующие группы:
1. Информационные средства - датчики исходной информации.
2. Средства обработки информации и принятия решений.
3. Линии передачи информации.
4. Исполнительные устройства.
Приборы и средства автоматизации должны соответствоваггь специфике
технологических процессов, реализуемых на сооружениях водоочистной станции.
477

s
s
о
s
s
s
eg
>>
ce
u
5
X
о
s
ж
X
>>
e
I
■s
B-
s
I
>>
и
<
s
«I
8
X
Щ
X
л
I
X
478

^rv
I
I
i
s
о
>s
о
s
•a
О
4
се
5
1^
Ч
X
«■
R
X
X
I
1
1
e
z
8
X
I
X
479

«>
ё g g
l§-°
§^8
о
i
1
I
I
a
e
e
CI
R
X
X
«I
I
i
X
CI
«
e
X
л
I
I
1
00
X
A.
480

Датчики исходной информации
Специфическими датчиками являются приборы для определения показателей
качества воды. Работа этих датчиков может быть основана на различных принципах и их
можно разделить на электрохимические, к которым относятся кондуетометрические, по-
тенциометрические и амперометрические; оптические, к которым относятся
фотометрические и спектральные; хроматографические. Для работы в системах управления
датчики должны непрерывно выдавать информацию, иметь высокую чувствительность н
точность. Аппарапурные решения при реализации датчиков специфичны для каждого
показателя. В общем случае структурная схема датчика соответствует схеме, представленной
на рис. 18.8 и состоит из следующих основных блоков: первичного преобразователя для
преобразования измеряемой неэлектрической величины в первичный электрический
сигнал A); измерительной схемы для усиления и дальнейшего преобразования первичного
электрического сигнала B); эталона, по отношению к которому производится сравнение
измеряемой величины C). В современных измерителях выходной сигнал может
преобразовываться в цифровую форму для передачи в вычислительное устройство D).
Пооба^
1
3
'
■
9
Аналоговый выход.
4
Цифровой
выход
Рис. 18.8.
В качестве примеров можно привести спектрофотометрические датчики измерения
цветности АОВ-10 и измерения мутности АОВ-9, ТВ-346, амперометрический датчик
определения избьтточной концентрации хлора АПК-01, электрометрический датчик
активной концентрации ионов рН (рН-201).
Кроме этих специфических датчшюв на водоочистных станциях широко
применяются стандартные датчики расхода воды и реагентов, датчики давления и уровня,
датчики температуры и др.
Средства обработки информации и принятия решений
В настоящее время в качестве этих средств должны использоваться, в основном,
промышленные контроллеры различной вычислительной мощности, наборы
микропроцессорных плат, персональные компьютеры в промышленном исполнении. Эту
вычислительную технику выпускают как зарубежные фирмы, например, Advantech, Simens,
Analog Devices, Octagon Systems, Omron, так и отечественные. Для сопряжения
цифровых вычислительных средств и аналоговой техники применяются специальные модули
УСО (устройства связи с объектом).
На первом (нижнем) уровне автоматизированной системы управления
используются, как правило, простые микроконтроллеры с ограниченными возможностями. На
втором уровне (управление сооружением) должны находится высокопроизводительные
промышленные компьютеры и контроллеры, способные принимать и обрабатывать
информацию от десятков датчиков и управлять десятками исполнительных устройств. На
третьем уровне применяются один или несколько персональных компьютеров в
промышленном исполнении.
481

Лцтк передачи информации
Так как автоматизированная система получается распределенной, для связи в
единое целое систем разных уровней приходится применять различные каналы передачи
информации. Как правило, это цифровые каналы, «пециально разработанные для
промышленного применения. Широко используются каналы, работающие по стандартам
RS-232C, RS-485. Для связи вычислительных средств второго и третьего уровня может
применяться и локальная вычислительная сеть (например, Ethernet). В случае, когда
какое-нибудь сооружение находится на значительном расстоянии, вполне оправдано
применение радиоканалов для передачи информации.
ИсПОДНИГбДЬНЫ? yCTpQHCTPS
Все исполнительные устройства являются, как правило, электрическими. Это
разнообразные двигатели: синхронные, асинхронные, постоянного тока. Двигатели могут
иметь собственные системы управления, отслеживающие регулирование
технологических параметров путем изменения их частоты вращения. С помощью электрических
двигателей приводятся в движение различные насосы, мешалки, компрессоры,
насосы-дозаторы. Задвижки, затворы, клапаны также имеют электрический привод.
Алгоритмическое обеспечение является одной из важнейших составляющих АСУ.
Алгоритмы работы локальных систем управления отработаны в достаточной степени и
применяются на многих действующих станциях.
Оптимальное функционирование всей системы в целом определяют алгоритмы
работы ЭВМ верхнего уровня. Именно они составляют отличительную особенность
предлагаемого подхода. Кроме общепринятых алгоритмов сбора, переработки и
отображения информации важнейшую роль играют алгоритмы расчета значений
оптимизируемых параметров для выработки уставок на системы управления второго уровня. Эти
уставки формируются таким образом, чтобы оптимизировать работу всей
водоочистительной станции в соответствии с каким-либо критерием. Чаще всего в качестве такого
критерия выбирается экономический, например, приведенные затраты.
На рис. 18.9 представлена укрупненная блок-схема алгоритмов ЭВМ верхнего
уровня, отражающая особенности технологических процессов водоочистной станции.
Современный уровень развития программирования управляющих систем
значительно облегчает разработку и сопровождение программного обеспечение, повышает
надежность программного продукта. Практически все проекты, разрабатываемые в
настоящее время, используют так называемые SCADA-системы, предназначенные для
создания программ, управляющих технологическими процессами (отечественная
SCADA-система Trace Mode). Программное оберпечение функционирует в среде
операционных систем реального времени (QNX, RTX и др.).
SCADA-системы позволяют легко программировать стандартные (П, ПИ, ПИД)
законы регулирования, обеспечивают выполнение любых логических функций,
позволяют наглядно отобразить всю цепочку технологических процессов станции,
представляют требуемую информацию о параметрах станции и т.д.
Программирование специальных, нестандартных алгоритмов осуществляется на
языках высокого уровня (например, С.Паскаль).
482

Блок-схема алгоритма работы ЭВМ верхнего
уровня
Банк моделей
сооружений станций
KpHiepHH ин1има.|ьниС1И
{приименные ^itipaibi)
Ввод информации от
контроллеров АСУ
Ввод запросов и
информации от АРМ
з:
Анализ показателен
качества исходной
воды
Расчет новых значении
оптимизируемых
параметров
технологических
Формирование новых
усгавик для концюлеров
локальных снегсл!
управлении (ЛСУ)
Вывод уставок в
контроллеры ЛСУ
Л
Выполнение запросов
от АРМ
Л
Формирование массивов
информации для
отображения параметров
работы станции
I
Вывод информации
для отображения
Обработка аварийной
ситуации
Рис. 18.9.
483

19. КОМПОНОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ СТАНЦИЙ ОЧИСТКИ И
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОДЫ
19.1. Станции очистки воды из поверхностных водоисточников
Одним из важнейших этапов проектирования водоочистных станций является
выбор строительной площадки на основе экологических и технико-экономических
обоснований. Ее обычно размещают совместно с территорией размещения насосных
станций второго (а если станция расположена непосредственно вблизи водозабора, то н
первого) подъема и резервуаров чистой воды.
Выбор строительных площадок под очистные водопроводные сооружения должен
производиться с учетом:
- возможности организации зон санитарной охраны, предусмотренньпс
соответствующими СанПиН;
- обеспеченности максимально-возможного самотечного движения воды от
входных сооружений до резервуаров чистой воды или с минимальным числом станций
н отдельных насосов подкачки;
- предотвращения строительства заглубленных сооружений при относительно
высоком уровне грунтовых вод в районе строительства;
- решения выпуска промышленных сточных вод после их очистки и повторного
использования в соответствии с органами Госсанэпиднадзора и охраны природы;
- кратчайшего по возможности расстояния от места расположения станции до
существующих линий электропередач, теплотрасс, транспортных ^хгерий, к^ьеров
местных строительных материалов.
Между отдельными зданиями и сооружениями требуется соблюдать в плане
строительные, противопожарные и санитарно-безопасные разрывы. Проект станции
водоочистки питьевой воды должен обеспе'шть (фганизацию первой зоны санитарной охраны
от доступа посторонних людей на территорию станции и в здания, где расположены
сооружения по водоподготовке и обеззараживанию.
Территория станции должна быть озеленена, благоустроена с организованным
водоотводом дождевых и промышленных сточньпс вод, с необходимыми
заасфальтированными подъездами к зданиям реагентного хозяйства, отстойников, фильтров, хлоратор-
ных, административного корпуса с лабораториями и др.
При соответствующем тепловом, санитарном и технико-экономическом
обосновании допускается в отдельных случаях сооружать камеры хлопьеобразования,
отстойники и осветлители вне здания. Однако такое решение должно предусматривать не только
обеспечение удобства эксплуатации станции в течение года, но и надежность работы
обслуживающих коммуникаций и оборудования в зимнее время, при низких температурах
воздуха и воды.
Плановое и высотное расположение основных и вспомогательных сооружений, а
также складских и вспомогательных объектов станции зависит от принятой
технологической схемы н состава сооружений для очистки и обеззараживания воды.
Оптимальным вариантом взаиморасположения сооружений является такое, которое
позволяет осуществить весь комплекс технологических процессов без дополнительной
подкачки с расчетным расходом станции. При использовании озонирования с
последующей сорбционной доочисткой на стационарных фильтрах с активированным углем и
равнинном рельефе местности это условие не всегда выполнимо.
484

< от насосной cniatKH
11К1ЖИШ
Рис 19.1. Высотная схема движения воды иа станции полной реагентной очнсткн воды
для хозпитьевых целей:
1 - смеситель; 2 - осветлитель; 3 - фильтр; 4 - резервуар чистой воды; 5 - насос 2-го подъема; 5а -
иасос для подкачки промывной воды; 6 - водонапорная башня для промывной воды; 7 - бочки с
хлором; 8 - испаритель; 9 - хлораторы для первичного хлорирования; 10 - хлораторы для
вторичного хлорирования; 11 - растворно-хранилищиый бак коагулянта; 12 - расходный бак коагулянта;
13 - насос-дозатор коагулянта; 14 - бак для известкового теста; 15 - бачок для размыва
известкового теста; 16 - бак для гидравлического перемешивания известкового молока; 17 -
циркуляционный насос; 18 - дозатор известкового молока; 19 - полиакриламид (ПАА) в таре; 20 - мешалка
для ПАА; 21 - расходный бак ПАА; 22 - поплавковый дозатор; 23 - насос для циркуляции и
подачи ПАА к дозатору; 24 - кремнефтористый нагрий в таре; 25 - сатуратор; 26 - вакуум-бункер с
секторным питателем; 27 - вакуум-насос; 28 - подача воды в сатуратор; 29 - активный уголь в
таре; 30 - вакуум-бункер с секторным питателем; 31 - подача сжатого воздуха; 32 - иасос для
подачи угольной пульпы в дозатор; 33 - дойггор угольной пульпы
Для предварительных расчетов общую величину перепадов уровней воды от
смесителя до резервуара чистой воды в типовых станциях с реагентным хозяйством,
отстойниками, скорыми фильтрами и обеззараживанием хлором следует принимать с
учетом потерь напора в коммуникациях в пределах 3,5-4,5 м. Перепады напоров воды на
отдельных сооружениях и в коммуникациях станции водоочистки принимаются
примерно следующими (рис. 19.1):
- в смесителях и сетках входных камер - 0,4-0,5м;
- в отстойниках 0,2-0,3;
- в осветлителях со взвешенным осадком - 0,6-0,7м;
- в фильтрах и контактных осветлителях - 1,0-3,5м;
- в соединительных коммуникациях между сооружениями - 0,2-0,5м;
- в адсорберах - 2,0-2,5м;
- в контактных реакторах озонирования - 0,6-1,0м.
485

Трассировка обслуживающих технологических трубопроводов должна
предусматривать обводные линии и камеры переключения для подачи обрабатываемой воды,
минуя временно выводящие из технологического цикла сооружения на ремонт,
профилактику илн в случае аварийных ситуаций (рнс. 19.2).
На случай экстренных ситуаций (выхода из строя основных очистных сооружений)
должна быть предусмотрена подача воды от водозабора насосами первого подъема в
резервуары чистой воды, но обязательно с усиленным режимом обеззараживания, или
переключением на другой водонсточник (лучше всего артезианский, с более качественной водой).
В зданиях водоочистки должны быть предусмотрены подсобные помещения с
определенной минимальной площадью, назначаемой в зависимости от суточной
производительности станции (табл. 19.1).
Таблица I9.I
Вспомогаггельные помещения водоочистных станций
Наименование помещений
Химическая лаборатория
Весовая
Бактериологическая лаборатория
Помещение для хранения посуды
и реактивов
Местный диспетчерский пункт
Комнаты дежурного персонала
Мастерские для текущего
ремонта мелкого оборудования н
приборов
Площадь в м^ при производительности станции
в тыс. м'/сут.
<10,0
20
18
6
12
10
12
10-50
25
б
20
8
24
15
16
50-100
25
6
20
10
48
20
24
100-300
35
8
32
15
60
30
36
Примеры компоновочных высотных и плановых решений станций очистки с
разными технологическими схемами приведены на рис. 19.1, 19.2.
19.2. Станции подготовки подземных вод
Отличительной особенностью станций очистки и кондиционирования подземных
вод зачастую является необходимость осуществлять часть технологических операций
по изменению качества исходной воды из подземных горизонтов в непосредственной
близости от водоисточнишв, а часть - вблизи расположения основных водопотребите-
лей. Такая необходимость возникает, когда подземная вода имеет в своем составе
большое шличество агрессивной углекислоты, вызывающего коррозию стальных водоводов
большой протяженности, подающих воду от площадки водозабора, с ограниченной
территорией до места расположения основных сооружений.
Блоки предочистки подземных вод размещают на одной территории с насосной
станцией подъема н регулирующими сооружениями и камерами переключений. Зоны
санитарной охраны на этой территории организуют анологично зонам санит^ной
охраны основной станции кондиционирования воды.
Примеры компоновочных решений строительства станций подземных вод
приведены на рис. 19.3.
Для небольших станций малых населенных пунктов и отдельных промышленных
объектов все сооружения могут быть размещены под землей или в полунасыпи, без
специальных наземных построек (рнс. 19.4).
486

с
ПРЕЖ
^-L —J^ —
■^^^^v
Подача исхолцой
воды на
станции
[=600п LUj^—Jl=l
А 111 л и Af-Jl г
АЙийиая
обводка
Отвод
чиртоп водь
ирто"
|'|*|||'|
^5^
хтптт
^
d=400
с5^
155000-
8
Рнс. 19.2. Генеральный план очистной станции для хозяйствеиио-питьевого водосиабже-
иия производительностью 12500 м^/сутки;
1 - здание водоочистной станции; 2 - башня для промывной воды с баком емкостью 300 м^;
3 - резервуары чистой воды; 4 - хлораторная и расходный склад хлора; 5 - котельная; 6 -
площадки для угля и золы; 7 - проходная; трубопроводы: исходной и очищенной воды; кана-
лизационые; к- бытовой канализации; теплотрассы; х- хлорогаза
на иловые
карты
Рнс. 19.3. Высотная схема размещения с фильтрами АФПЗ-4М станции обезжелезивания и
фторирования:
1 - башня для храиения промывной воды; 2 - камера перед фильтрами; 3 - АФПЗ-4М; 4 - РЧВ;
S - отстойник сборной промывной воды; 6 - насосная станция для подачи отстойной промывной
воды в «голову» сооружений; 7 - баки для хранения кремне-фтористого натрия; 8 - сатуратор;
9 - вакуум-насос; 10 - ввод обеззараживающего реагента
487

yl^fi
poo
V, \.
Рис. 19.4. Компактная блочная водоочистная станция (Zh(Cw)-50/500):
I - блок префильтра и электрокоагулятора-фортатора; 2 - блок с контактной камерой,
тонкослойным отстойником и плавающей загрузкой; 3 - блок глубокой доочистки воды, включающий коп-
лексную обработку воды озоном, УФ и сорбцией на АУ; 4 - РЧВ; 5 - насос подающий
очищенную воду потребителям
Конпактные установки заводского изготовления небольшой производительности
экономически целесообразно размещать в полувыемке-полунасыпи без сооружения
капитальных зданий (рис. 19.4). Небольшие по габаритам установки размещаются иногда
в стволах водонапорных башен. В таких случаях компоновка составляющих блоков и
дополнительного оборудования не должна препятствовать нормальной эксплуатации
самих водонапорных башен и предусматривать дополнительное сооружение
резервуаров для приема и повторного использования промывных вод.
19J. Комплексные станции промводоснабжения
Системы промышленного водоснабжения отличаются от коммунального большим
разнообразием технологий и сооружений подготовки природной, оборотной и сточных
вод в едином промышленном узле. Обычно головные станции очистки воды из рек и
водохранилищ проектируют и эксплуатируют по аналогии со станциями, описанными в
п. 19.1. Отличием является то, что с экономической точки зрения воду, предназначенную
для технических целей, подвергают только осветлению или осветлению и
обесцвечиванию. Затем её направляют территорию предприятий для подпитки оборотной воды,
использования непосредственно для технологических нужд и более глубокой доочистки
для првмнужд с повышенными требованиями к ее качеству. Воду, подаваемую для хоз-
питьевых целей населенных пунктов и промпредприятий, подвергают глубокой доочи-
стке и дезинфекции.
В основу проектирования системы водоснабжения промузла в целом и очистных
сооружений в частности берут его водный баланс, составленный для каждого
производства (цеха) и всего промузла. Сооружения для очистки и подготовки технической воды
сильно отличаются как по назначению, так и по конструктивному устройству и режима
технологических процессов.
Так для охлаждения оборотной воды применяют как мощные открытые водоемы
(пруды), так и градирни, брызгальиые бассейны, смешанные охладители. Их
строительство на территориях промпредприятий должно учитывать требованиями к технологиче-
488

ским циклам основных производств, правила техники безопасности, другие
экономические и экологические факторы.
Технологические методы обработки воды для нужд промпредприятий, такие как
глубокое осветление, умягчение, обессоливание, стабилизационная обработка для
конкретных нужд отдельных категорий промышленных потребителей реализуется в
закрытых, обычно отдельно расположенных от основного производства, цехах водоподготов-
ки (рис. 19.5).
1-1
Рис. 19.5. Компоновка станции стабилизациоиной обработки оборотной воды:
1 - мешалка У= 2,0 м^ для приготовления раствора фосфатов; 2 - емкости У= 2,0 м' раствора
фосфатов; 3 - насосы-дозаторы фосфатов НД 1000/20; 4 - емкость V = 2,0 м' для приготоаления
раствора медного купороса; 4 - насосы-дозаторы раствора медного купороса;5 - насосы-дозаторы
раствора медного купороса НД 1000/20; 6 - поддоны для сухих реагентов фосфата и медного
купороса; 7 - емкость V = 3,2 м' для кислоты; 8 - емкост раствора щелочи; 9 - насосы-дозаторы
кислоты НД 100/20; 10 - хлораторы ЛОНИИ-СТО; 11 - венткамеры; 12 - бытовые помещения;
13 - электрошитовая; 14 - трубопровод приема кислоты со склада; 15 - трубопровод подачи
отдознрованной кислоты в систему; 16 - трубопровод хлоргаза с базисного склада;
17 - трубопровод подачи хлора после хлораторов в систему; 18 - трубопровод подачи
отдозированного раствора фосфатов в систему; 19 - трубопровод подачи отдозированиого
раствора медного купороса в систему; 20 - трубопровод сжатого воздуха
489

Оборотное водоснабжение может осуществляться в виде единой системы всего
предприятия или в виде отдельных систем одного или нескольких цехов.
Зачастую в системы технического водоснабжения вовлекаются очищенные и
обеззараженные сточные воды. В этом случае проектировщики должны уделять серьезное
внимание прогнозированию качества смешанных природных, условно чистых и
очищенных сточных вод (если такое предусмотрено), их влиянию на коммунальные
системы, качество продукции предприятия и сохранение необходимой экологической и
санитарно-гигиенической ситуации, как непосредственно на территории промыишенного
узла, так и на прилегающих к нему территориях.
Для систем оборотного водосна&кения крупных промпредприятий при наличии
маломощных водоисточников станция водоочистки может быть включена в состав узла
водозаборно-очистных сооружений. Пример одной из таких систем представлен на рис.
19.6. Она состоит из водоподъемной однопрогонной или вантовой разборной плотины 1
с плоским затвором, берегового незатапливаемого водозаборного колодца 2, самотечно-
всасывающих труб и насосной станции первого подъема 3, горизонтальных
отстойников 4, сбросных коллекторов для периодического сброса осадка из отсюйников 5, реа-
гентного хозяйства 6 для интенсификации процессов осаждения и системы напорных
водоводов 7 для подачи воды от насосной станции в отстойники или в
распределительную сеть промпредприятий. При ухудшении качества воды в водоисточнике (паводки,
ливневой смыв с полей) воотбор из водоисточника не производится, вода на
предприятия поступает в такие периоды только после отстойников.
Рис. 19.6. Водозаборио-очистиые сооружения системы оборотного водоснабжения
промпредприятяя:
1 - водоподъемная разборная плотина; 2 - береговой сетчатый колодец; 3 - насосная станция;
4 - горизонтальные отстойники; 5 - коллектора для сброса осадка из отстойников; 6 - реагентное
хозяйство; 7 - напорные водоводы подачи воды к предприятию и в систему коммунального
водоснабжения
490

Наряду с основными сооружениями водопроводных станций водохранилища
становятся неотъемлемым регулирующим звеном технологической схемы водоподготовки
(ТСВ).
В случаях, когда источником водоснабжения промпрсцшриятий являются горные
реки, из которых вода забирается с помощью инфильтрационных приплотинных или
шпорных сооружений, блоки очистки воды (водоочистные комплексы) сооружаются на
берегу, в непосредственной близости от водозабора. Причем первичные отстойники
размещаются непосредственно у уреза воды или в его русле (рис. 19.7). Промывной шлюз
позволяет регулировать поступление наносов из водостока в первичный отстойник, а в
случае его совмещения с берега выше сооружением - своевременно удалять осадок из
первичного отстойника. Посколько последний работает в безреогентном режиме, то
такое решение является наиболее энергически приемлемым.
WIWffl^^^^j^TITITITII'innnw
Up
Up
тц^^ ^
X / X-
Рнс. 19.7. Водозаборно-очнстной комплекс сооруженвй на горвой реке:
1 - водосбросная часть низконалорной плотины; 2 - промывной шлюз; 3 - водоприемная камера
4 - первичный отстойник; S - сбросной трубопровод; 6 - насосная станция первого подъема;
7 - вторичный отстойник; 8 - фильтровальная станция; 9 - резервуары чистой воды; 10 - насосная
станция второго подъема; 11 - напорные водоводы к потребителю
В каждом конкретном случае компоновка в плане и высотная схема расположения
сооружений водоочистных станций осуществляется в тесной взаимосвязи с другими
составляющими системы водоснабжения. При этом главными должна быть надежность,
экономичность и простота в ухфавлении как отдельной стацией так и всей системой
водоснабжения в целом. Необьемлемым фактором при выборе компановочных решений
является экологическая и санитарно-гигиеническая составляющая системы.
491

Список литературы:
1. Алекин О.А. Основы гидрохимии. -Л.: Гидрометеоимат, 1970.
2. Аюкаев Р.И. Теоретическое обобщение и промышленный опыт интенсификации работы водоочистных фильтров с
высокопористыми материалами. Автореф. дне. док.техн.наук. - М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1981. - 43 с.
3. Бабенюв Е.Д. Очистка воды ноагулантами. -М.: Наука, 1977. - 356 с.
4. Бахвалов Н.С. н др. Численные методы: Учебное пособие. -М.: Наука, 1987. - 600 с.
5. Борисов ПС, Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по
проекпфовамию. -М.: Химия, 1991. - 496 с.
6. Васильев Л.А. Очиспса поверхностных вод озоном. Дисс.докт.техн.наук. -Нижний Новгород: НГАСУ, 2001. - 490 с.
7. Венецианов Е.В., Петров Е.Г. Оптимизация технологических и конструктивных параметров сорбциоиного обесцвечивания
природных вод//Химия и технология воды. -Киев, 1989, т И, №8. -С.687-691.
8. Говорова Ж.М. Выбор и оптимизация водоочистных технологий. -Вологда-Москва: Вологодский ГТУ, 2003. - 1! I с.
9. Говорова Ж.М. Усовершенствование водоочистных технологий при антропогенных нагрузках на водоисточники.
//Обзорная информация. Вып.4 -М.: ВНИИНТПИ, 2000. - 38 с.
10. Гороновский И.Т., Рудеико ГГ. Эксплуатация станций подготовки хозяйсгвенно-питьевой воды. - Киев: Буд|вельнтс, 1975.
11. ГОСТ Р 51232-98. Вода питьевая. Контроль качества. -М: Госстандарт России. 1998.
12. Грановский М.Г. и др. Электрообработха жидкостей. -Л.: Химия, 1976.
13. Долнво-Добровольский Л.Т, Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия и микробиология воды. -Киев: Внща школа, 1971.
14. Доманскнй И.В. и др. Машины и аппараты химических производств. /Под ред. В.Н. Соколова. -Л.: Машииостроеиие, 1982.
-384 с.
15. Драгииский В.Л. Технологии озонирования и сорбциониой очистки воды от загрязнения природного и антропогенного
происхождения в системах питьевого водоснабжения. Автореф. дис. док.техн.наук. -М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1997. - 62 с.
16. Дытнерский Ю.М. Обратный осмос и ультрафильтрация. -М.: Химия, 1987. -352 с.
17. Журба М.Г. Микроорошение. Проблемы качества воды. -М.: Колос, 1994. - 278 с.
18. Журба М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах. -Львов: Внща школа, 1980. - 200 с.
19. Журба М.Г. Пенополнстирольиые фильтры. -М.: Стройиздат, 1992. - 176 с.
20. Журба М.Г. Применение критериальных уравнений процесса осветления воды s зернистом слое для оптимизации работы
водоочистных фильтров //Химия н технология воды. -Киев, 1986, т8, № 3. - С.19-21.
21. Журба М.Г. Сельскохозяйственное водоснабжение. -Кишинев: Университас, 1992.
22. Журба М.Г, Вдовий Ю.И., Говорова Ж.М., Лушкии И.А. Водозаборно-очистные сооружения и устройства. Учебное
пособие для студентов вузов. Под ред. М.Г.Журбы. -М.: Асгрель, ACT, 2003. - 596 с.
23. Журба М.Г., Говорова Ж.М., Приемышев Ю.Р., Лебедева Е.А. Очистка природных вод. содержащих антропогенные
примеси. Практическое пособие. -Вологда, ВГТУ, 1998. - 104 с.
24. Журба М.Г, Говорова Ж.М., Чекрышов А.В. Обработка промывных вод и осадков водопроводных станций. //Обзорная
информация. Вып.1. -М.: ВНИИНТПИ, 2001.-43 с.
25. Журба М.Г, Нечаев А.П., Ивлева Г.А., Говорова ЖМ. и др. Классификаторы технологий очистки природных вод. -М.: ГП
Союзводоканалпроект, 2000. - 118 с.
26. Журба М.Г, Соколов Л.И. Технико-экономическое обоснование инвестиционных проектов водоподготовки
//Водоснабжение и санитарная техника, 1999, № 2.
27. Карюхина ТА., Чурбанова И.Н. Химия и микробиология. - М.: Стройиздат, 1974. - 223 с.
28. Кастальский А.А., Минц ДМ. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. -М.: Высшая школа,
1962.
29. Клячко В.А., АпельциЯ И.Э. Очистка природных вод. -М.: Стройиздат, 1971. -579с.
30. Клячко В.А., Апельции И.Э. Подготовка воды для промышленного и городского водоснабжения. -М.: Стройиздат, 1962. -
819 с.
31. Когановский A.M., Левченко Т.М., Гора Л.Н. и др. Адсорбционная очистка речной воды от органических веществ углями
различной пористой структуры. //Водоснабжение и саинтарная техника. - 1992. - №4. - С. 27S.
32. Когановский A.M., Клименко Н.А., Левченю Т.М., Рода И.Г. Адсорбция органических веществ из воды. -Л.: Химия, 1990,
- 256 с.
33. Кожииов В.ф. Очистка питьевой и технической воды. -М.: Стройиздат, 1971. - 92с.
34. Контроль за процессами обработки воды (под реа.Ч.Кокса). -Женева: ВОЗ, 1965. - 413 с.
35. Кульский Л.А. Основы химии и технологии воды. -Киев: Наукова думка, 1991. - 568 с.
36. Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. - Киев: Наукова думка, 1983. - 527 с.
37. Кульский Л.А., Левченко Т.М., Петрова М.В. Химия и микробиология воды. - Киев: Внща школа, 1976. -116 с.
38. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. -Киев: Внша школа, 1981. - 328 с.
39. Кульский Л.А., Булава М.Н., Гороновский И.Т, Смирнов П.И. Проектирование и расчет очистных сооружений
водопроводов. -Киев: Буд1вельиик, 1972. - 424 с.
40. Курганов A.M., Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. Л.:
Стройиздат (Ленинф. Отд.), 1973. - 408 с.
41. Любарский В.М. Осадки природных вод и методы их обработки. - М.: Стройиздат, 1980.
42. Математические модели контроля загрязнения воды (перевод с анпио. под ред.А.Джеймса). -М.: Мир, 1981. -
С.386-400.
43. Методические указания по внедрению и применению СанПиН 2.1.4.559-96. МУ 2.1.4.682-97. -М.: Минздрав России, 1997.
44. Минц Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды. -М.: Стройиздат, 1964. - 156 с.
45. Москвитин А.С. и др. Справочник монтажника. Оборудование водопроводно-каиализационных сооружений. -М.:
Стройиздат, 1984.- 192 с.
492

46. Найденко ВВ., Кулакова А.П., Шеренков И.А. Оптимизаиш процессов очистки природных и стхмиых вод. - М.:
Стройимет, 1984. - 152 с.
47. Николадзе ГИ. Технология очистки природных вод. -М.: Высшая школа, 1987. - 479 с.
48. Николадзе Г.И. Улучшение качества подземных вод. -М.: Стройиздаг, 1987. - 240 с.
49. Николадзе Г.И., Сомов М.А. Водоснабжение: Учебник для вузов. -М.; Стройиздат, 1995. - 688 с.
50. Обработка воды на тепловых электростанциях (под ред. Толубцова В.А.). -М.-Л.: Энергия, 1966. - 448 с.
51. Орлов М.В. Биологическая предочистка природных вод с повышенным содержанием органических веществ. Авгореф.
дисс....камд. техн. наук. -Вологда: ВоГТУ, 1999. - 16 с.
52. Подготовка воды питьевого качества в городе Кемерово/В. А. Усольцев, В.Д. Соколов, Ю.Л. Сколубовнч и др. - М.: ВИМИ,
19%.- 116 с.
53. Покровский М.С. Глубокая очистка природных вод на фильтрах с инертно-сорбциоиной загрузкой. Автореф. днсс.канд.
техн. наук. -Вологда: ВоГТУ, 1999. - 16 с.
54. Пособие по пуску, наладке и эксплуатации очистных сооружений водопровода /Под ред. Е.Д. Бабенюва. -М.: Стройиздат,
1968.-248 с.
55. Правила технической эксплуатации систем и сооружений водоснабжения и канализации. -М.: Госкомитет РФ по
строительству и жилищно-коммунальному комплексу, 2000. - 123 с.
56. Проектирование сооружений для обезвоживания осадков станций очистки природных вод /ВНИИ ВОДГЕО. -М.:
Стройиздат, 1990.
57. Роденко В.П., Панков Н.Л. Природные сорбенты для водоподгоговки //Водоснабжение и санитарная техника. - 1994, №2.
- С.27.
58. Руденко ГГ., Гороновский И.Т. Удаление примесей из природных вод на водопроводных станциях. -Киев: Будивельник,
1976, - 205 с.
59. Рудзскнй ГГ., Адоньева И. А., Езерский А.И. Технология очистки природных вод: Учебное пособие для аузов. -Л.: ЛИСИ,
1982. - 83 с.
60. Руководство по гигиене водоснабжения (под ред. Черкинского С.Н). -М.: Медицина, 1975. - 327 с.
61. СанПиН (проект). Источники централизованного питьевого водоснабжения. Гигиенические требования. Правила выбора
и юнтроль качества. -М.: Госкомсанэпиднадзор России.
62. СаиПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого
водоснабжения. Контроль качества. -М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1996. - П1 с.
63. СанПиН 2.1.4.544-96. Требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Сан|гтарные правила и нормы. -
М: Госюсанэпиднадзор России, 1996.
64. Смагин В.Н., Небольсина К.А., Беляков В.М. Курсовое и дипломное проектирование по сельскохозяйственному
водоснабжению. -М.: Агропромиздат, 1990. - 336 с.
65. Смирнов А.Л. Сорбционная очистка воды. - Л.: Химия, 1982. - 168 с.
66. Современные технологии и оборудование для обработки воды на водоочистных станциях., -М.: НИИ КВОВ, 1997.
67. Справочник по очистке природных и сточных вод /Л.Л. Пааль, Я.Я. Кару, Х.А. Мельдер, Б.Н. Репин. - М.: Высшая школа,
1994.-336 с.
68. Справочник по свойствам, метоюам анализа и очистке воды. /Под ред. Кульского Л.А. -Киев: Науюва думка, 1980. -174 с.
69. Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий. /Под ред. И.А. Назарова.
-М.: Стройиздат, 1977. - 288 с.
70. Старинскнй В.П., Мнхайлик Л.Г. Водозаборные и очистные сооружения коммунальных водопроводов: Учеб. пособие. -
Минск: Вышая школа, 1989. - 269 с.
71. Строительные нормы и правила 2.04.02.84. - Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Введен 01.01.85. / Госстрой
СССР. - М.: Стройиздат, 1985. - 136 с.
72. Тамамьян А.Н. Сорбенты и наполнители для фильтров доочистки питьевой воды //Водоснабжение и санитарная техника.
- 1994.-№12.-С.8.
73. Тарковская И. А., Гоба В.Е., Томашевская А.Н. Окислительно-деструктивная низмугемпературная регенерация углеродных
сорбентов //Химия и технология воды. -Киев, 1992. - №5. - С.348.
74. Технические записки по проблемам воды: Дегремон. Пер. с анш. В 2-х т. Т.1 /К.Барак, Ж.Бабеа, Ж.Берш|р и др. Под
редакцией Т. А.Карюхиной, И.Н.Чурбановой. -М: Стройиздат, 1983.
75. Фрог Б.Н. Водоподготовка: Учебное пособие для вузов. -М.: Из-во МГУ, 1996. - 680 с.
76. Швецов В.Н., Яковлев С.В., Морозова К.М., и др. Глубокая очистка природных и сточных вод на биосорберах //
Водоснабжение и санитарная техника. -М., 1995, №11.
77. Шевченна М.А., Таран П.Н., Гончарук В.В. Очистка природных и сточных вод от пестицидов. -Л.: Химия, 1989. - 184 с.
78. Эксплуатация систем водоснабженик, канализации и газоснабжения. Справочник. -М.: Стройиздат, 1988. - 383 с.
79. Яковлев СВ., Ганин Б.А., Матросов А.С.Кальчугнн В.Б. Совместная обработка осддюв сточных вод и осадков,
образующихся на водопроводных станциях. -М.: Стройиздат, 1990.
80. Яковлев СВ., Прозоров И.В., Иванов Е.Н., Губий И.Г. Рациональное использование водных ресурсов -М.: Высшая школа.
1991.-400 с.
493

Об авторах
Журба Михаил Григорьевич, доктор технических наук,
профессор, действительный член Академии проблем
водохозяйственных наук и Академии жилищно-коммунального хозяйства,
заведующий лабораторией очистки природных вод и
инженерных сооружений водоподготовки Государственного научного
центра РФ комплексного научно-исследовательского и конструк-
торско-технологического института водоснабжения,
канализации, гидротехнических сооружений и инженерной
гидрогеологии НИИ ВОДГЕО. Основное научное направление работы -
теоретическое обоснование и разработка технологий подготовки
питьевых вод в условиях повышенных антропогенных нагрузок
на водоисточники. Является автором 12 книг, из них 7 монографий, 235 научных статей
и брошюр, имеет 67 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Является
руководителем научной школы в области очистки воды фильтрованием через плавающие
полимерные загрузки. Эксперт Федерального реестра научно-технической сферы при
Министерстве промышленности, науки и технологий Российской Федерации.
Соколов Леонид Ивяиович, доктор технических наук,
профессор, действительный член Международной академии наук
экологии и безопасности жизнедеятельности, член-корреспондент
Жилищно-коммунального Академии, первый проректор
Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ),
заведующий кафедрой водоснабжения и водоотведения ВоГТУ.
Автор более 200 научных и методических трудов, 15
изобретений и патентов. Область научных интересов: проблемы водной
экологии, ресурсосберегающие технологии. Автор
учебно-исследовательской игры «Экополис» и ряда деловых эколого-эко-
номических Иф.
Говорова Жанна Михайловна, кандидат технических наук,
старший научный сотрудник лаборатории очистки природных
вод и инженерных сооружений водоподготовки ГНЦ РФ НИИ
ВОДГЕО. Автор 53 печатных работ, в том числе 7 авторских
свидетельств и патентов РФ на изобретение, монографии, двух
брошюр трех книг и учебных пособий. Имеется опыт
педагогической работы в сфере Высшей школы (руководство дипломным и
курсовым проектированием и.т.д.). Область научных интересов:
проблемы водоснабжения (водоочистные комплексы и
технологии), канализации и охраны водных ресурсов.