Двуступенчатая очистка

ЮРГТУ(НПИ)

ВХИСиЗОС Лабораторная работа №2

Двухступенчатая схема  очистки воды 2

Для источников водоснабжения второго класса, очистка заключается в осветлении, обесцвечивании и обеззараживании воды.

Седиментационные  характеристики грубодисперсных примесей, содержащихся в водах поверхностных источников, не позволяют достичь нормируемой мутности (1,5 мг/л) даже при длительном (несколько десятков часов) отстаивании. Нужный эффект достигается после реагентной обработки (коагуляции).

Безреагентное получение воды питьевого качества возможно путем процеживания (фильтрации) на медленных фильтрах, после образования на поверхности загрузки достаточно плотного слоя осадка.

Обесцвечивание  воды требует деструкции части фульвокислот методом окисления или разрушения коллоидов гуминовых кислот коагуляцией, либо сорбции молекул фульвокислот на хлопьях гидроксидов алюминия или железа, образующихся в результате обработки воды коагулянтами.

Устранение  привкусов и дезодорация воды производится методом окисления.

Рассмотрим  технологию очистки питьевой воды из источников второго класса. Требования стандарта в отношении мутности питьевой воды делает необходимым включение в технологическую схему фильтров, которые способны задерживать водные примеси дисперсностью до 10⁴ и менее (рис. 1.3).

Осветлительные  фильтры имеют ограниченную грязеемкость и при очистке воды с большой  мутностью их защитное время сокращается, что приводит к частым промывкам  загрузки и нарушает нормальные условия  эксплуатации.

Чаще  всего применяются фильтры, рассчитанные на осветление воды мутностью не более 8–12 мг/л. Фильтры повышенной грязеемкости (двухслойные или выполненные по схеме контактных осветлителей, у которых фильтрование проводится снизу вверх, т. е. в направлении уменьшения крупности загрузки), могут применяться при большей загрязненности исходной воды.

В других случаях  операция по осветлению воды (уменьшению мутности) проводится в два этапа: на ступени грубой очистки с целью  снижения мутности до приемлемых для  фильтрования значений, и на второй ступени – доочистки на фильтрах. Грубая очистка одноступенчатая и включат отстойники или осветлители со взвешенным осадком, но если мутность исходной воды превышает 1500 мг/л – вода осветляется в отстойниках первой и второй ступени.

Перед грубой очисткой или перед фильтрами в одноступенчатых схемах исходная вода коагулируется как с целью обесцвечивания, так и для более глубокого осветления при соосаждении грубых примесей и образовавшихся после коагуляции хлопьев гидроксидов алюминия или железа.

Вода мутностью  не более 20 мг/л и цветностью до 50 градусов после коагуляции очищается на скорых фильтрах с загрузкой повышенной грязеемкости.

Такая одноступенчатая схема рекомендована [27] для станции суточной производительностью 50 тыс. м³. При исходной мутности воды до 120 мг/ли цветности до 120 градусов и с любой производительностью станции применима одноступенчатая очистка по схеме (рис. 2.1). Перед подачей воды на контактные осветлители с целью предотвращения засорения их дренажей и загрузки воздухом (завоздушивание) предусматривается удаление воздуха в резервуарах – воздухоотделителях, а травы и мусора – процеживанием на барабанных фильтрах или микрофильтрах. 

Рис. 2.1. Одноступенчатая  схема очистки воды: 1 – процеживатель;  
2 – воздухоотделитель; 3 – смеситель; 4 – ввод коагулянта;  
5 – контактный осветлитель; 6 – ввод хлора  

На рис. 2.2 приведена схема  двухступенчатой очистки, рекомендуемая при мутности исходной воды до 300 мг/л и цветности до 20 градусов. Предварительная грубая очистка достигается в контактном крупнозернистом префильтре с повышенной грязеемкостью, а доочистка – в осветлительном фильтре. Поскольку префильтр работает по той же схеме, что и контактный осветлитель, в схему включена аналогичная предочистка от крупногабаритных загрязнений и воздуха.  

Рис. 2.2. Схема очистки  воды двухступенчатым фильтрованием:  
1 – процеживатель; 2 – воздухоотделитель; 3 – смеситель; 4 – ввод коагулянта;  
5 – контактный префильтр; 6 – осветлительный фильтр; 7 – ввод хлора  

При большой мутности исходной воды (до 1500 мг/л) и цветности до 120 градусов на первой ступени грубой очистки устанавливаются отстойники или осветлители со взвешенным осадком. Последние допускают большие удельные гидравлические нагрузки на поверхность и имеют меньшие габариты при той же производительности, что и отстойники, но требуют более сложной эксплуатации и поэтому рекомендуются [27] для водопроводных станций производительностью не менее 5 тыс. м³/сут.

На рис. 2.3 приведена схема  двухступенчатой очистки с отстойниками. После реагентной обработки вода направляется в камеру реакции (хлопьеобразования), где находится 15–20 минут и более, и в которой производится вялое  перемешивание при градиенте скорости не более 100–120 1/с. В отстойник поступают уже сформировавшиеся хлопья гидроксидов алюминия или железа, обладающие достаточно высокой гидравлической крупностью и хорошо оседающие. Доочистка осуществляется в скорых фильтрах (вторая ступень очистки).  

Рис. 2.3. Двухступенчатая  схема очистки воды с отстойниками:  
1 – смеситель; 2 – ввод реагентов; 3 – камера хлопьеобразования;  
4 – отстойник; 5 – осветлительный фильтр; 6 – ввод хлора  

Двухступенчатая схема с  применением осветлителей со взвешенным осадком приводится на рис. 2.4. Как известно, эффективность осветления в этих осветлителях зависит от значения массовой концентрации сухого вещества в осадке взвешенного фильтра [4]. При уменьшении массовой концентрации эффект осветления снижается. Минимальной мутностью воды при осветлении в слое взвешенного осадка считается 50 мг/л; при меньших значениях мутности осветлители оборудуются рециркуляторами, а при мутности менее 20–25 мг/л необходимо искусственное замутнение поступающей на очистку воды суспензией глины.

Перед осветлителями со взвешенным осадком не требуется камер хлопьеобразования, так как на хлопьях осадка происходит контактная коагуляция микрочастиц  гидроксидов металлов, но необходимо предварительное воздухоотделение. 

Рис. 2.4. Двухступенчатая  схема очистки воды с осветлителями  
со взвешенным осадком: 1 – смеситель; 2 – ввод реагента;  
3 – воздухоотделитель; 4 – осветлитель; 5 – осадконакопитель;  
6 – фильтр; 7 – ввод хлора 

Коагулянты в  виде растворов вводятся в смеситель, расположенный перед первой ступенью очистки. В случае применения кислых коагулянтов (сернокислый алюминий, хлорное железо) расчетом проверяется достаточность щелочного резерва воды и при необходимости в смеситель дополнительно подается щелочной раствор извести или кальцинированной соды.

Точка ввода флокулянтов  определяется в зависимости от интервала  времени, необходимого для завершения гидролиза коагулянта и начала хлопьеобразования. Указанные значения определяются экспериментально и в разные водные сезоны могут меняться.

Для обесцвечивания и дезодорации, а также при большом бактериальном  загрязнении источника, перед вводом коагулянта поток воды обрабатывается окислителями. Как уже отмечалось предварительное хлорирование (прехлорирование) воды, содержащей значительные концентрации органики, например, имеющей большую цветность, может привести к образованию токсичных летучих хлорорганических соединений (ЛХС). Установлено, что в наибольшем количестве выделяются хлороформ, ПДК которого составляет 0,2 мг/л. На процесс образования ЛХС влияют доза хлора и продолжительность контакта хлора с органикой. По данным НИИ КВОВ до 50 % ЛХС образуется в течение первых 4–5 часов контакта.

Для уменьшения количества образующихся ЛХС общая доза хлора, зависящая от хлорпоглащаемости  воды, вводится «дробно», дозами не более 2 мг/л и в нескольких точках.

Выше  отмечалось, что преозонирование, направленное на обеззараживание и обесцвечивание воды, может сопровождаться появлением озолятов, продуктов окисления органики. Среди них, в первую очередь, следует  назвать формальдегид, ПДК которого составляет 0,05 мг/л. Кроме того, как отмечается в [2], озонирование трансформирует органические примеси таким образом, что образуются новые соединения с меньшей молекулярной массой, которые легче поддаются биохимической деструкции, чем способствуют развитию микробиального ценоза. В результате возможно обрастание загрузки фильтров и ее засорение. Поэтому дозы озона ограничивают 2,5 мг/л, а при необходимости предусматривают «дробное» озонирование.

Для обесцвечивания в качестве окислителя используют перманганат калия, применение которого не вызывает вторичного загрязнения воды токсичными примесями. Некоторые рекомендации по применению окислителей приведены в [2]. В частности, хлор водится за 2–3 минуты до ввода коагулянта или сорбента, а озон – непосредственно перед этими операциями.  
Если перед коагулированием воду совместно хлорируют и озонируют, то интервал между вводом хлора и озона должен составлять 30–60 минут. В случае обработки воды хлором и перманганатом калия сначала  вводят хлор, через 10 минут перманганат и, наконец, через 2–3 минуты – коагулянт.

Обеззараживание воды после очистки (перед резервуаром  чистой воды) проводится хлорированием, озонированием или бактерицидным  облучением. Во всех случаях очищенная  вода должна быть хлорирована с целью  продления обеззараживающего действия (пролонгирования) на время ее прохождения в водопроводной сети. Наиболее существенное пролонгирование достигается при совместной обработке воды хлором и аммиаком. Образующиеся при этом хлорамины обладают обеззараживающим действием и сохраняются в воде дольше, чем хлор. Точка ввода хлора и аммиака должны находиться от РЧВ на расстоянии не менее 50 диаметров трубопровода, что необходимо для равномерного распределения этих реагентов в потоке. 

2.3.2. Усиление схем  очистки при повышении барьерной  роли водопроводных станций

Загрязнения поверхностных  источников водоснабжения примесями  техногенного происхождения требуют  повышения барьерной роли очистных сооружений и их усиления. При этом технологическая схема очистки  в основном сохраняется. Техногенные загрязнения преимущественно находятся в молекулярной или ионной форме и для их удаления используются процессы физической или химической сорбции (хемисорбции).

В тех случаях, когда мероприятия по усилению требуются  только небольшую часть года, в  качестве дополнительного реагента применяются порошкообразный активированный уголь (ПАУ), сорта которого выбираются в зависимости от видов удаляемых загрязнений.

Применение  ПАУ включает приготовление угольной суспензии и замачивание угля в течение часа с последующим смешиванием суспензии с очищаемой водой при длительности контакта не менее 15-30 минут в адсорбере (камере смешения). Вода обрабатывается ПАУ до коагуляции, либо (при небольших дозах угля) после первой ступени очистки. Таким образом, уголь, содержащий сорбированные загрязнения, осаждается совместно с грубодисперсными примесями воды в отстойниках, удаляется в осветлителях со взвешенным осадком или в контактных осветлителях, контактных префильтрах или на фильтрах второй ступени (рис. 2.5). Заметим, что ввод ПАУ перед фильтрами повышает прочность осадка и грязеемкость загрузки (защитное время).

Если сорбция  необходима, то в большую часть  года, в систему очистки включается третья ступень, расположенная за фильтрами. На третьей ступени размещаются  сорбционные фильтры, работающие в режиме динамической сорбции и загруженные гранулированным углем (ГАУ) нужных сортов (рис. 2.6). 

Следует отметить, что при тех низких значениях концентраций молекулярных и ионных загрязнений, которые отвечают требованиям очистки, поглощающая способность сорбента невелика. Поэтому затраты ГАУ оказываются значительными, а продолжительность межрегенеративных периодов загрузок сорбционных фильтров составляет 6–24 месяца, после чего ГАУ нуждается в дорогостоящей регенерации или замене.

Сорбционная очистка оказывается обязательной, если присутствующие в воде молекулярные органические примеси способны образовывать с металлами, хлором, фосфором и другими элементами комплексы и ассоциаты.

На  рис. 2.7 приведена схема реконструкции  одной из московских водопроводных  станций. Исходная вода опасна в санитарном отношении и содержит значительное количество молекулярно растворенных примесей, в том числе и весьма устойчивых. Технология очистки, предложенная иностранными фирмами, рассчитана на удаление из воды примесей дисперсностью до 10⁶–10⁷. В схеме предусмотрено применение нескольких окислителей (озон, хлор, перманганат калия) и сорбента (ПАУ). Как следует из рисунка, производится прехлорирование и преозонирование, коагуляция, седиментация, обработка воды перманганатом калия и вторичное озонирование, углевание и коагулирование с последующей очисткой на фильтрах повышенной грязеемкости (многослойные фильтры), повторное углевание и фильтрование перед заключительным этапом – ультрафильтрацией и, наконец, профилактическая аммонизация перед резервуаром чистой воды. Набор используемых реагентов и порядок их ввода был определен на основании экспериментов и учитывает разную резистентность (устойчивость) и способность к сорбции присутствующих загрязнений. 

Рис. 2.7. Схема  глубокой очистки воды: 1 – камера озонирования; 2 – смеситель;  
3 – отстойник; 4 – контактная камера; 5 – осветлительный фильтр; 6 – аппарат  
ультрафильтрации; 7 – РЧВ; А – ввод хлора; Б – озоно-воздушная смесь;  
В – ввод коагулянта (флокулянта); Г – ввод перманганата калия; 
Д – ввод пульпы ПАУ; Е – ввод аммиака 

Для источников водоснабжения малой мутности и  при высоком содержании гидробионтов (фито- и зоопланктона) с целью  предварительной очистки от антропогенных  и техногенных загрязнений могут  применяться биологические реакторы – процеживатели с биообрастаниями.

Биоценоз обрастаний способен аккумулировать молекулярно  растворенную органику, в том числе  нефтепродукты, фенолы и другие примеси, радионуклиды, ионы тяжелых металлов и их комплексные соединения, снижать  цветность и мутность, содержание аммонийного азота, нитритов, общее количество микроорганизмов (до 95 %).

После реактора вода очищается на барабанных сетках от частиц биоценоза и дезинфицируется, затем направляется на обычную очистку  по одной из рассмотренных выше схем [3].

Возможно применение биореакторов (биосорберов) конструкции НИИ ВОДГЕО с псевдосжиженным слоем активированного угля, работающих в аэробном режиме [10]. Биосорберы эффективны при обесцвечивании воды, удалении углеводородов нефти, примесей фенольной группы и другой молекулярно растворенной органики, в том числе и резистентной. Если вода источников имеет малую мутность биореакторы устанавливают с целью предочистки и размещаются в начале технологической линии, либо доочистки (в конце линии). С учетом местных условий и результатов расчетов биосорберы выполняются одно или многоступенчатыми (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема  биосорбера в г. Рязани: 1, 2, 3 –  
колонны 1, 2, 3 ступеней; 4 – аэрационные камеры;  
5 – подача воды; 6 – очищенная вода; 7 – воздух