Водоснабжение – обеспечение водой объектов для удовлетворения хозяйственно-питьевых, производственных, и противопожарных нужд.
Система водоснабжения – комплекс сооружений, машин и механизмов, служащих для добывания, подачи и распределения воды.
Водопровод – централизованная система водоснабжения, в которой подача и распределение воды осуществляется по трубам.
Различают виды водоснабжения: коммунальное – снабжение водой населенных пунктов; промышленное – предприятий; сельскохозяйственное – сельскохозяйственных предприятий и т. д.
По назначению воды системы водоснабжения (СВ) бывают:
- хозяйственно-питьевые – для удовлетворения питьевых, хозяйственно-бытовых и санитарно-гигиенических нужд населения (питьевая вода);
- производственные – обеспечивающие различные отрасли хозяйства (качество воды определяется требованиями производства);
- противопожарные – предназначенные для подачи воды на тушение пожаров.
СВ бывают раздельные и объединенные (удовлетворяют хозяйственно-питьевые, производственные и противопожарные нужды). Водоснабжение включает в себя следующие процессы:
- добывание воды (забор из поверхностных или подземных источников) водозаборными устройствами;
- подъем воды и создание напора при помощи насосных станций;
- улучшение качества воды на о/с;
- транспортирование воды к объектам водоснабжения и распределение между водопотребителями;
- регулирование расхода воды для сглаживания неравномерностей водопотребления с помощью резервуаров.
СВ зависит от источника, рельефа местности и других природных условий. Так, артезианские воды возможно использовать без очистки или ступеней подъема воды.
По надежности подачи воды СВ подразделяются на три категории (СНиП 2.04.02-84. Нормы проектирования. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения):
1-я категория – системы водоснабжения (СВ) предприятий ряда отраслей промышленности и крупных населенных пунктов (более 50 тыс. человек), в которых не допускается перерыва в подаче воды; расчетные расходы могут быть снижены не более чем на 30% на 3 суток;
2-я категория – СВ предприятий и населенных пунктов (менее 50 тыс. человек), групповые с/х. водопроводы, в которых допускаются перерывы в подаче до 5 ч и снижение расходов на 30% в течение месяца;
3-я категория – СВ населенных пунктов с численностью жителей до 500 человек, в которых допускаются перерывы в подаче до 1 суток и снижение расходов на 30% до 1 месяца.
Реки являются основными водоисточниками. Достаточность расхода реки устанавливается в зависимости от категории надежности системы: для 1-й категории по минимальному расходу 95% обеспеченности, для 2-й – 90%, 3й – 85%.
Следует учитывать потребность в воде объектов, расположенных ниже по течению, необходимо помнить, что забор более 25% расхода возможен лишь при благоприятных условиях (глубоких плесах), при неблагоприятных условиях требуется регулирование стока путем создания прудов и водохранилищ.
Более чистая вода бывает на середине реки. Во время половодья может содержаться большое количество взвесей, большая часть в придонных слоях. Крупные взвеси (песок) отлагаются в трубах и приемных колодцах и затрудняют работу водозабора. Плавающие предметы (мусор, древесина, водоросли и т.п.) могут закупоривать водоприемные отверстия и трубы водоприемников.
Деформацию русла (размыв в одних местах и появление отмелей в других) следует учитывать при устройстве водозаборных сооружений (для предотвращения их размыва или заноса песком). Затруднения при заборе воды зимой вызывают внутриводный лед и шуга, закупоривающие входные отверстия водоприемников.
Для водоснабжения можно использовать различные искусственные каналы (обводнительные, оросительные, судоходные и др.), так как здесь регулируется водный режим.
Возможность использования озер и водохранилищ определяют водохозяйственными расчетами: полезный объем воды с учетом потерь на испарение, фильтрацию, заиление должен превышать объем годового водопотребления. Наиболее чистая вода в водоёмах находится вдали от берегов на глубинах более 2 м. В летнее время в них часто наблюдается «цветение» воды, связанное с развитием фитопланктона, что ухудшает качество забираемой воды (глубины до 1–1,5 м). Во время половодья и ливней в небольших водоемах (прудах) выносится много взвесей, что вызывает их заиление (особенно хвостовая часть пруда и прибрежная зона). Для борьбы с загрязнением и заилением вокруг водоема создается зона хозяйственных ограничений (водоохранные зоны), создаются лесополосы, закрепляются склоны и овраги, не распахиваются зоны прибрежных защитные полос.
Комплекс сооружений и устройств, служащих для захвата воды из поверхностного источника, – водозабор. Он должен обеспечивать забор воды с требуемым расходом и по возможности с наименьшим количеством примесей. Надежная работа должна обеспечиваться во все сезоны года и при наличии любых самых неблагоприятных гидрологических, климатических и других факторов: при наиболее низком уровне воды, образовании внутриводного льда, ледоходе, отложении наносов и деформации русла, цветении воды и др., с учетом использования источника для различных целей (судоходства, рыболовства и т. п.).
В комплекс водозаборных сооружений входят: водоприемник, самотечный водовод и камера (приемно-сеточный колодец). В камере осаждается песок и посредством решеток задерживаются крупные взвеси. Приемно-сеточный колодец часто объединяют с насосной станцией (совмещенный водозабор). Водозаборные сооружения плавучего или фуникулерного типа носят название нестационарные. По виду водоисточники подразделяются на речные, озерные, водохранилищные, канальные; по месту расположения водоприемника – на береговые и русловые, а на озерах еще и островные; по отношению к уровню воды – на затопляемые (находятся ниже уреза), затопляемые в паводок и незатопляемые. По устойчивости от повреждений плавающими предметами их разделяют на незащищенные (трубчатые) и защищенные (массивные бетонные).
Место для речного водозабора выбирают выше по течению реки от выпусков сточных вод, свалок, пристаней и других источников загрязнения. Их нельзя располагать у мест впадения мелких притоков, балок, оврагов, в заводях, рукавах реки. Нежелательно использовать участки с очень быстрым течением, так как там протекают изменения русла, а зимой интенсивно образуется шуга и внутриводный лед. Нельзя создавать водозабор на участках, где наблюдаются заторы, скопление шуги, промерзание потока, в зонах сильного движения донных наносов, в нижнем бьефе гидросооружений, на путях движения речного транспорта.
Желательно, чтобы глубина реки даже в межень была не менее 2 м. В большинстве случаев водозабор располагают у вогнутого берега (если он размывается, то требуется берегоукрепление). В месте водозабора не должны наблюдаться оползневые процессы, берег не должен быть заболочен и по возможности недолжен затапливаться паводковыми водами. Выбор места следует увязывать с общей схемой водоснабжения, обращая внимание на санитарное состояние местности.
Для забора воды из озер и водохранилищ (прудов) применяют водозаборы руслового (островного) типа. Для этого выбирают глубокое место, удаленное от берега, во избежание попадания планктона на 1,5–2 м и более от поверхности. Чтобы не захватывать ил, входные отверстия располагают на 2–3 м выше дна.
Для защиты источников водоснабжения, водозаборных и других сооружений питьевых водопроводов от загрязнений устанавливают зоны санитарной охраны (см. тему 22). В пределах первого пояса ЗСО защитные мероприятия выполняют органы коммунального хозяйства, 2-го и 3-го – владельцы объектов.
Для проектирования системы водоснабжения и ее эксплуатации необходимо знать количество потребляемой воды и режим ее потребления. Объем водопотребления устанавливается по числу потребителей (люди, животные, машины и т.п.), следует учитывать расходы на полив улиц и зеленых насаждений, технологические нужды производства. В населенных пунктах расчет ведется с учетом перспективы их развития на 10–20 лет.
Нормы расхода в общественных зданиях производят по СНиП П-30-76. Расход воды на полив улиц и тротуаров с усовершенствованным покрытием составляет 0,3–0,5 л/м², зеленых насаждений 3–4 л/м², газонов и цветников 4–6 л/м². В стеллажных теплицах и парниках на полив требуется 6 л/м², в грунтовых теплицах – 15 л/м². При отсутствии данных о площадях зеленых насаждений расход на их полив принимают ориентировочно 50–90 л/сут/чел. Расходы на полив носят сезонный характер.
Среднее (за год) суточное потребление воды (табл. 7.1) каждой группой водопотребителей определяют по СНиП 2.04.02-84.
Таблица 7.1. Среднесуточные нормы потребления (л/сут/чел)
|
Застройка зданиями, оборудованными водопроводом и канализацией, без ванн |
125-160 |
|
То же с ваннами, с местными водонагревателями |
160-230 |
|
То же, с централизованным горячим водоснабжением |
250-350 |
|
Застройка зданиями с водопользованием из водоколонок |
30-50 |
Нормы расхода воды животными зависят от условий их содержания и оборудования животноводческих помещений (табл. 7.2), с учетом поения животных, мойки помещений, посуды, охлаждения молока, приготовления кормов и др.
Таблица 7.2. Водопотребление домашних животных, л/сут на 1 голову
|
Коровы молочные |
100 |
|
Коровы мясные |
70 |
|
Быки и нетели |
60 |
|
Молодняк КРС с возрасте до 2 лет |
30 |
|
Телята в возрасте до 6 месяцев |
20 |
|
Лошади взрослые и молодняк старше 1,5 лет |
60 |
|
Кормящие лошади и племенные |
80 |
|
Жеребята в возрасте до 1,5 лет |
45 |
|
Овцы взрослые |
10 |
|
Овцы молодняк |
6 |
|
Свиньи взрослые |
25 |
|
Свиноматки с поросятами |
60 |
|
Молодняк на откорме |
15 |
|
Куры, утки |
1 |
|
Гуси |
2 |
Примечание. При механизированном удалении навоза расход воды увеличивается на 4–10 л в зависимости от способа удаления.
Нормы расхода воды машинами зависят от их конструкции и мощности, вода расходуется на охлаждение двигателей, мойку и уход за машинами.
В расчетах принимают, что на заправку трактора или комбайна требуется до 1 л в сутки на каждую единицу мощности двигателей, а автомашины до 1 л в сутки на 1 тонну грузоподъемности. На мойку автомашин грузоподъемностью до 3 тонн требуется 400 л, тракторов 300–600 л.
Расход воды промышленными предприятиями определяют по их заявкам, основанным на технологических расчетах. Для ориентировочных подсчетов используют нормы потребления на единицу продукции: на молочных заводах необходимо 10–15 м³ на переработку 1 тонны молока, консервных – 10–15 м³ на 1 тонну овощей, мясокомбинатах – 6–10 м³ на 1 тонну живой массы скота, сыроваренных и маслодельных – 35–40 м³ на 1 тонну продукции, хлебозаводах – 1,7 м³ на выпечку 1 тонны хлеба.
Кроме производственных нужд, на промышленных предприятиях следует учитывать хозяйственно-питьевые потребности в воде рабочих – 25 л/чел в смену (в «горячих» цехах – 45 л). Расход воды в строительстве определяют по расходам воды на единицу объема строительных работ.
Выбор и оценку качества источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения выполняют по ГОСТ 17.1.3.03-77. Пригодность источника определяется следующими основными требованиями:
1. Минимальный расход (полезный объем) должен быть достаточным для удовлетворения нужд водоснабжения. При недостатке воды следует регулировать путем создания водохранилищ (прудов) и др.
2. Вода в источнике водоснабжения должна отвечать требованиям ГОСТ «Вода питьевая», в случае несоответствия качества воды необходимы мероприятия согласно СНиП 2.04.02-84.
3. Источник водоснабжения должен иметь хорошее санитарное состояние и находиться в условиях, позволяющих организовывать зоны санитарной охраны, исключающие попадание в воду загрязнений.
4. Режим водоисточника и условия забора воды из него должны быть благоприятны для осуществления бесперебойного водоснабжения. При неблагоприятном режиме (значительное колебание расходов, блуждание русла реки и т.д.) создают плотины и проводят другие мероприятия.
5. Использование источника водоснабжения должно быть экономически выгодным. Выбор происходит на основании технико-экономического сопоставления различных вариантов.
Для питьевого водоснабжения в первую очередь используют межпластовые напорные (артезианские) подземные воды, надежно защищенные от внешнего загрязнения. При их отсутствии или экономической нецелесообразности следует переходить к другим источникам в порядке снижения их санитарной надежности: межпластовым безнапорным водам, ключам (родникам), грунтовым водам, поверхностным водам (рекам, озерам, водохранилищам, каналам).
Пригодность воды для удовлетворения потребностей человека и нужд хозяйства устанавливается путем оценки ее химических, физических и биологических показателей. Чистая вода должна быть прозрачна, бесцветна, не иметь запаха и привкуса. Природная вода всегда содержит примеси (растворенные химические вещества, газы, нерастворимые взвешенные минеральные и органические частицы и живые организмы), которые придают воде определенные свойства. Совокупность этих свойств характеризует качество воды. Для питьевых целей оно определяется СанПиН 2.1.4.1074-01.
Качество воды улучшают путем ее очистки от взвесей и бактерий, устранением цветности, привкусов и запахов, а также изменением химического состава.
Водоподготовка воды состоит в ее осветлении, обеззараживании, обесцвечивании и дезодорации (устранении запахов и привкусов).
Воду осветляют (устраняют мутность), удаляя взвешенные вещества и коллоиды, для этого ее отстаивают в отстойниках (для выпадения взвеси в осадок) и фильтруют через слой зернистого материала (невыпавшие частицы задерживаются на поверхности и в порах). Для интенсификации осветления добавляют химические вещества – коагулянты. Последние, вступая в реакцию, образуют хлопья, которые сорбируют взвеси и коллоиды. Хлопья быстрее выпадают в осадок и хорошо задерживаются фильтрами. Воду осветляют в одну и две ступени (отстаивание и фильтрование).
Обеззараживание – уничтожение живых микроорганизмов. Для этого применяют хлор, озон, другие вещества или облучают ультрафиолетовыми лучами.
Улучшение химического состава воды состоит в уменьшении количества растворенных химических веществ. Обычно в водоснабжении применяют следующие методы обработки воды:
- опреснение – удаление растворенных солей до норм питьевой воды;
- умягчение – уменьшение содержания жесткости;
- обезжелезивание – удаление избытка солей железа;
- удаление сероводорода;
- обезфторивание или фторирование с целью регулирования содержания фтора;
- стабилизация – обработка воды реагентами с целью снижения коррозийной агрессивности или способности выделять растворенные соли в осадок.
В промышленном водоснабжении существуют и другие методы обработки воды. При безреагентной очистке воды основными сооружениями будут горизонтальные отстойники (предварительные фильтры) и мелкозернистые (медленные) фильтры, устройства для обеззараживания воды.
При реагентной очистке воду подают в смеситель, куда вливается раствор реагентов ( их количество определяется дозаторами). Далее вода попадает в камеру хлопьеобразования, а из нее в отстойник. Окончательное осветление идет в фильтрах, затем ее обеззараживают и подают в резервуар чистой воды. Выпавший в отстойнике осадок удаляют гидравлическим способом, а фильтры промывают обратным током воды. Загрязненную воду и осадок из отстойников отводят по специальной системе канализации.
Осветление воды безреагентным способом протекает медленно и полностью не завершается, так как тонкие глинистые и коллоидные частицы практически не выпадают, после коагулирования скорость выпадения составляет 0,5–0,6 мм/с (в 100 раз больше, чем у частиц глины). Кроме этого, для задерживания скоагулированной взвеси, не выпавшей в отстойнике, можно применять фильтры с крупнозернистым слоем (фильтрация воды идет в десятки раз быстрее, чем с мелкозернистым). Реагентный метод позволяет применять очистные сооружения меньших размеров, делая их более компактными, однако эксплуатация усложняется, требуются затраты на коагулянты и обслуживание.
В питьевом водоснабжении чаще всего применяют коагулянты: сернокислый алюминий, железный купорос, хлорное железо. Дозирование коагулянта бывает мокрое (в виде раствора) и сухое (порошок). Доза коагулянта зависит от мутности и цветности, показателя pH, состава растворенных солей. Оптимальную дозу устанавливают лабораторным путем. Для интенсификации коагулирования иногда применяют флокулянты (полиакриламид, активированная кремниевая кислота), также используют электрохимический метод (пропуская воду через электролизер). В последнем случае отпадает необходимость приготовления и дозирования химических коагулянтов, что удешевляет водоснабжение.
Фильтрование воды – завершающая ступень водоподготовки. Для фильтрования на о/с устраивают водоочистные фильтры – емкости, в которые загружают слой зернистого фильтрующего материала (песок, керамзит, торф и т.п.). Фильтрующая среда постепенно загрязняется взвесями и требует периодической очистки и промывки.
При фильтровании воды происходит задержание частиц в порах фильтрующей толщи и на ее поверхности, это вызывает сужение пор. Необходимость очистки фильтра определяют по возрастанию потери напора в нем.
Загрязнения могут проскакивать не только в конце, но и в начале фильтрования, когда поры еще свободны, поэтому первый фильтрат имеет повышенную мутность и его сбрасывают в сток.
При осветлении воды с естественной, некоагулированной взвесью, обладающей меньшей силой прилипания, преобладает процесс задержания частиц в мелких порах, в основном на поверхности мелкозернистого фильтрующего слоя. Скорость фильтрования должна быть 0,1–0,2 м/ч.
Задержание на фильтре некоагулированной взвеси со сравнительно крупными частицами (хлопьями), протекает в основном в толще фильтрата, отличающегося крупнозернистым составом. Скорость фильтрования – 5–10 м/ч.
В связи с этим различают медленное (пленочное) фильтрование, применяемое для осветления некоагулированных вод, и скорое (объемное) фильтрование, применяемое для вод коагулированных. Соответственно фильтры делят на медленные и скорые. Последние имеют большую производительность, требуют меньшей площади и более экономичны в эксплуатации. Эксплуатация медленных фильтров проста, воду можно очищать без коагулирования.
Ультразвуковой способ обеззараживания заключается в создании в воде ультразвуковой частоты при помощи специальных генераторов. Бактерии погибают в результате механического воздействия волн, ускорения процессов окисления и сворачивания белков.
Обеззараживание воды ионами серебра основано на том, что при содержании в воде серебра (до 0,04 мг/л)[1] бактерии погибают. Для этого воду пропускают через посеребренный песок или через электролизер с серебряными электродами.
Улучшение качества природных вод, обусловленными растворенными примесями, заключается в уменьшении количества или удалении из воды веществ, содержащихся в избытке, а также в замене одних солей другими.
Умягчение воды – снижение концентрации жесткости (кальция и магния). При реагентном способе умягчения воду обрабатывают известью и кальцинированной содой (известково-содовый способ). При их добавлении образуются нерастворимые соединения, и они выпадают в осадок. Для устранения карбонатной жесткости добавляют известь (известкование или декарбонизация). Известь вводят в воду в виде раствора или известкового молока. Так связывается растворенная углекислота, а бикарбонаты кальция и магния образуют малорастворимые соли и выпадают в осадок.
Основные требования к проектам канализации. Система мероприятий по удалению и очистке сточных вод называется канализацией (водоотведением). Согласно ГОСТ 25150-82 (Канализация. Термины и определения) это комплекс инженерных сооружений, машин, аппаратов, служащих для приема, отвода, очистки и сброса сточных вод.
Сточные воды жилых домов, бань, прачечных, столовых, больниц и других объектов, сильно загрязненные отбросами физиологической деятельности людей и животных, остатками пищи, мытья помещений, стирки белья и т. п., называют коммунально-бытовыми (хозяйственно-фекальными).
Сточные воды образующиеся в производственной деятельности (предприятия, животноводческие фермы и т. п.), называются производственными.
К сточным водам относятся воды, образующиеся при выпадении дождей, снеготаянии, поливе улиц, которые принято называть дождевыми.
В сточных водах загрязнение находится во взвешенном, плавающем, растворенном и коллоидном состоянии. Их можно удалять двумя способами: вывозом и сплавом. При первом способе сточные воды собираются в специальные резервуары (выгреба), откуда их периодически вывозят на поля ассенизации, поля запахивания или на сливные станции канализации. При втором способе сточные воды удаляют по трубам и каналам, очищают на очистных станциях, затем отводят на поля орошения или в водоем.
Для того чтобы было возможно транспортировать по трубам коммунально-бытовые сточные воды, они должны быть достаточно разжижены водой (водопотребление не менее 60 л/сут/чел).
Система канализации состоит из внутренней канализационной сети в зданиях; наружной дворовой и внутриквартальной сети; уличной канализационной сети; главных коллекторов, отводящих воду за пределы населенного пункта; приемных резервуаров, насосных станций и напорных водоводов; сооружений для очистки и обеззараживания сточных вод; выпусков очищенных стоков в водоемы и на поля.
В зависимости от вида удаляемых сточных вод различают виды систем канализации: общесплавную, раздельную (полную и неполную) и полураздельную.
При общесплавной системе канализации все категории сточных вод (коммунально-бытовые, производственные и дождевые) отводятся по одной общей системе труб, совместно очищаются и сбрасываются.
При полной раздельной каждая категория сточных вод отводится по самостоятельной сети. К ним относят и системы, где три категории стоков сплавляют по двум канализационным сетям. Чаще всего одна из них служит для приема и отвода коммунально-бытовых и производственных, которые проходят очистку, вторая – для приема и отвода в водоем дождевых без очистки. Если канализацией отводятся не все категории стоков, например отводят лишь хозяйственно-фекальные и производственные, а отвод дождевых не организован, то такую систему канализации называют неполной раздельной.
При полураздельной системе дождевую сеть соединяют с хозяйственно-фекальной с помощью камер-интерцепторов. При небольшом дожде и поливе улиц загрязненная дождевая вода попадает в хозяйственно-фекальную канализацию и направляется на о/с. Во время ливней потоки дождевой воды в нитерецепторах автоматически перебрасываются через лотки фекальной канализации в ливнеспуски, по которым сбрасываются в водоем. Благодаря этому о/с разгружаются от пропуска больших расходов ливневых вод. Нормы водоотведения общественных зданий и производственных объектов принимают по СНиП 2.04.03-85.
Условия спуска сточных вод регламентируются следующими параметрами:
1) прозрачность;
2) цветность;
3) сухой остаток;
4) кислотность (рН);
5) жесткость (содержание солей Са2+, Mg2+);
6) содержание кислорода;
7) биохимическая потребность в кислороде (БПК).
Сточные воды населенных пунктов содержат минеральные, органические и биологические примеси. К минеральным загрязнениям относят песок, глину, растворимые в воде неорганические химические соединения; к органическим – физиологические выделения людей и животных; к биологическим – живые организмы. Из микробов содержатся в основном сапрофитные, развивающиеся в мертвой органической среде, но много и патогенных, вызывающих заболевания людей и животных. В состав бытовых стоков на одного жителя (200 л/сут) входят 65 г/сут взвешенных веществ, 8 г/сут азота, 3,3 г/сут фосфатов, 9 г/сут хлоридов и др. В качестве очистных сооружений применяют:
1. Аэротенки – бассейны в которые подается сточная вода, смешанная с активным илом. Эту смесь, медленно движущуюся аэрируют сжатым воздухом через дырчатые трубы или фильтровые плиты, проложенные на дне. Аэробные микроорганизмы-минерализаторы активно очищают сточную воду. Часть активного ила регенерируют (аэрацией) и снова перекачивают в аэротенк, а избыток ила направляют в метантенк и далее на иловые площадки. Из аэротенков сточная жидкость направляется во вторичные отстойники и после осветления и обеззараживания – в водоем.
2. Септики – закрытые подземные резервуары-отстойники, в которых одновременно происходит отстаивание (механическая очистка) и перегнивание выпавшего осадка (биологическая). Они могут быть однокамерными (расход до 1 м³/сут), двухкамерные (до 10 м³/сут) и трехкамерные. Сточная жидкость в септике, пребывая не менее суток, движется с незначительной скоростью, благодаря чему хорошо осветляется. Это позволяет проводить ее биологическую очистку на подземных полях фильтрации, которые устраивают при септиках.
Выпавший на дно септика осадок перегнивает в анаэробных условиях (без доступа воздуха), ОВ разрушаются, превращаясь в газы, растворимые соединения и ил. Для биологической очистки необходимо длительное время (6–12 месяцев), из-за этого септики делают больших размеров. Полную расчетную вместимость септика принимают равной 2,5–3-кратному суточному притоку сточных вод, а глубину от поверхности земли от 1,3 до 3,2 м, ширину не менее 1 м, над водой оставляют вентилируемое свободное пространство высотой 0,35–0,40 м. Перекрытия устраивают сборно-разборными из железобетонных плит с отверстиями для люков. Поверх перекрытия укладывают рулонную гидроизоляцию и слой земли 0,15–0,50 м, септики очищают от ила и образующейся на поверхности воды корки 1–2 раза в год, при этом около 20% ила оставляют в септике для сохранения анаэробных бактерий.
3. Двухъярусные отстойники – бассейны прямоугольной или цилиндрической формы, в верхней части которых размещены осадочные желоба, выполняющие функции горизонтального отстойника, в нижней находится септическая иловая камера для накопления и перегнивания выпавшего осадка. Осадочные желоба имеют дно с наклонными стенками, в нижней части которого по всей длине устроена щель, через нее выпавший осадок попадает в септическую камеру и здесь перегнивает, как в септике, в течение 2–6 месяцев. Осадок из иловой камеры выпускается через трубу под давлением жидкости. Двухъярусные отстойники применяются при количестве стоков до 10 тыс. м³/сут.
4. Иловые площадки служат для частичного обезвоживания перегнившего ила, влажность понижается с 90–97% до 75%. Иловые площадки устраивают на ровном месте с хорошо фильтрующими грунтами (песок, супесь), где грунтовые воды залегают на большой глубине. Площадки планируют и окружают земляными валами высотой 1–1,3 м, разделяя на карты. Жидкий осадок выпускают на карты слоями 0,2–0,25 м подсушенный осадок вывозят автомашинами или вагонетками.
5. Поля подземной фильтрации используются для биологической очистки сточных вод после осветления их в септиках. Они представляют из себя сеть оросительных (поглощающих) трубопроводов (обратных дрен), проложенных в проницаемом грунте на глубине 0,5–1,8 м, не менее одного метра выше уровня грунтовых вод. Трубопроводы создаются из керамических и щелевых асбестоцементных труб диаметром 75–100 мм или других материалов. Расстояние между параллельными оросительными трубами 1,5–2,5 м. Длину труб определяют в зависимости от притока сточных вод, проницаемости грунта, среднегодовой температуры воздуха и глубины залегания грунтовых вод. Уклоны труб в песчаных грунтах принимают 0,001–0,003, в супесчаных 0.
Сточная вода фильтруется из труб в почву, где происходят процессы биохимического очищения. Здесь допускается выращивание овощных культур.
При небольшом притоке сточной воды (до 1 м³/сут) устраивают фильтрующие колодцы. В слабопроницаемых грунтах делают фильтрующие траншеи, на дне которых укладывают трубчатый дренаж, а поверх насыпают крупный песок толщиной 0,8–1,0 м. Затем по нему прокладывают оросительные трубы, которые засыпают крупнозернистым материалом (гравием, песком и др.), сверху траншею засыпают торфом или землей. Собранную дренажом воду после дезинфекции сбрасывают в водоем.
6. Поля орошения или поля фильтрации применяют после механической очистки. Сточная вода при фильтрации в почву освобождается от тонких взвесей и коллоидов, сорбируемых частичками почвы. При этом они покрываются деятельной микробиальной пленкой, которая, используя проникающий в почву воздух, окисляет ОВ и превращает их в минеральные соединения. Активно биохимические процессы идут в деятельном слое почвы толщиной 0,2–0,4 м, почва обогащается питательными веществами. Попадающие в почву патогенные бактерии быстро погибают, однако яйца гельминтов долго остаются живыми. Поэтому выращивание овощей, употребляемых в сыром виде, не допускается.
7. Биологические пруды применяют для биологической очистки сточных вод в естественных условиях. Очистка воды происходит при температурах выше 4ºС. При необходимости приема сточных вод зимой их направляют в накопительные пруды.
Анаэробные биологические пруды применяют для предварительной очистки высококонцентрированных стоков, включая навозную жидкость. Они имеют глубину 2,4–3 м. Площадь определяют по нагрузке загрязнениями по БПК5 – 330–560 кг/га/сут. Время пребывания стоков 30–50 сут.
При выборе способов и оборудования необходимо помнить, что заданная эффективность любой очистки лежит в диапазоне определенных концентраций и расходов сточных вод. Залповые сбросы приводят к перегрузке и неэффективной очистке.
Выделяют методы очистки возвратных вод: механические, физико-химические, химические, биологические и безреагентные.
Механические: отстаивание, фильтрование, гидроциклоны центрифугирование. Они позволяют избавляться от взвешенных веществ (ВВ) и нефтепродуктов (НП).
Перед отстаиванием обычно проводят процеживание, при этом частицы размером более 5 мм (бумага, тряпки, опилки и т.п.) отделяются при помощи решеток и сит. Решетки служат для задержания крупных отбросов, их делают из стальных прутьев с прозорами 16 мм и устанавливают с небольшим наклоном в открытых каналах перед песколовками или приемными камерами насосных станций. Очистка ручная производится при количестве отбросов до 0,1 м³/сут, при большем – механическими граблями.
Отстаиванием выделяют из сточных вод нерастворенные частицы минерального и органического происхождения, плотность которых может быть больше плотности воды (тонущие) или меньше (всплывающие). При расчете о/с следует учитывать, что при температуре 20ºС скорость осаждения ВВ размером от 10до 250 мкм составляет в статических условиях 0,07–26 мм/с, а ВВ и НП взаимно замедляют всплытие и погружение. Скорость всплывания НП размером до 100 мкм составляет около 1 мм/с.
Для ускорения процесса уменьшают высоту отстаивания, применяют избыточное давление и химическую подготовку (например, добавляют коагулянты). Для очистки ВВ используют песколовки и отстойники. В последнее время чаще используют стальные резервуары объемом 200–1000 м³ с хорошей герметичностью, использованием строительной индустрии. Применяют горизонтальные полки и другие устройства, повышающие эффективность о/с.
Песколовки устраивают для осаждения песка и других крупных тяжелых частиц. Горизонтальная песколовка представляет собой лоток, в котором вода движется со скоростью 0,15–0,30 м/с. Их устанавливают перед двухъярусными отстойниками и при производительности о/с более 100 м³/сут.
Отстойники бывают первичные и вторичные. Первичные отстойники задерживают мелкую взвесь после песколовки, вторичные – продукты биохимического окисления и биопленку, после биологической очистки сточных вод на биофильтрах или аэротенках. В конструктивном отношении канализационные отстойники напоминают водопроводные, они могут быть горизонтальными, вертикальными и радиальными. Для интенсификации работы первичных отстойников сточную жидкость предварительно аэрируют (подают воздух) и добавляют активный ил из вторичных отстойников. Тогда они называются биококагуляторами.
Биологические фильтры (биофильтры) служат для биологической очистки сточных вод в искусственных условиях. Они бывают капельные (о/с производительностью до 1000 м³/сут) и высоконагружаемые.
Капельные биофильтры – резервуары с двойным дном, загруженные на высоту 1,5–2 м крупнозернистым материалом (галькой, щебнем, керамзитом с крупностью фракций 25–40 мм). Между нижним непроницаемым и верхним решетчатым днищами оставляют воздушное пространство, вентилируемое через окна в стенках. Через междонное пространство вентилируется также загрузка биофильтра. Сточную жидкость после механической очистки периодически разбрызгивают на поверхности загрузки. При разбрызгивании, а потом при стекании по поверхности зерен вентилируемой загрузки сточная жидкость хорошо аэрируется. На поверхности зерен постепенно нарастает биологическая пленка, со временем она частично отмирает и выносится из загрузки сточной жидкостью. Сточная вода, пройдя загрузку, через решетчатое дно попадает в междонное пространство, откуда отводится по лоткам и направляется во вторичный отстойник. Высоконагружаемые биофильтры (аэрофильтры) отличаются от капельных большей высотой (2–4 м) и крупностью (40–70 мм) загрузки, повышенной (на 1 м²) нагрузкой сточной жидкостью, применением принудительной вентиляции. Они более эффективны, чем капельные, но сложнее в эксплуатации.
Легкие продукты: нефтепродукты (НП), масла, смолы – извлекают нефте-, масло- и жиро- ловушками, смолоуловителями.
Фильтрование служит для задержки ВВ после отстаивания. Существуют песчаные, диатомитовые, двуслойные фильтры (нижний слой песок, верхний – антрацитовая крошка). Можно использовать отходы производства: змеевик, глина, кварц, мрамор, магнетит, керамзит. От органических загрязнителей избавляются с помощью металлической сетки, стеклоткани прямого или двойного плетения, тканей из полимерных материалов, дробленого гравия, активированного угля, бурого угля, торфа и т.п. Присутствие поверхностно-активных веществ (ПАВ) резко ухудшает эффективность очистки. Грязеемкость фильтра определяют или опытным путем, или расчетом, исходя из усредненных показателей. Отмывка фильтрующего слоя проводится с помощью воды, подаваемой снизу вверх, загрузку фильтров осуществляют 1 раз в 1–2 года.
Фильтрующие сооружения включают в себя корпус, фильтрующий слой, систему дренажа, подачу на фильтр очищаемой воды и отвод промывных вод. На практике применяют напорные однокамерные механические вертикальные и горизонтальные фильтры с загрузкой из местных фильтрующих материалов (стружек, опилок, стекловаты и т. п.). Для очистки от НП используют фильтры с коалесцирующей загрузкой из гранулированного керамзита (7–12 мм) и полиэтилена (3–4 мм), пропитанных кремнийорганическими соединениями.
Гидроциклоны лучше использовать там, где устойчив технологический режим работы. Используют батареи из нескольких, что позволяет увеличить подачу при малых размерах и металлоемкости.
Центрифугирование имеет преимущества перед другими методами механической подготовки сточных вод, особенно перед отстаиванием, так как их не надо подогревать зимой, кроме того, ему присуще большая компактность, низкая влажность выделившегося шлама Центрифуги требуют небольшие площади при размещении.
Физико-химические методы: флотация, экстракция, сорбция, эвапорация, опреснение.
Флотация вызывает интенсификацию всплывания дисперсных частиц с пузырьками воздуха. На поверхности образуется пенообразный слой. Эффективность зависит от размеров поверхности пузырьков воздуха, площади контакта их с ВВ и от смачивания этих частиц. Бывает напорная, пневматическая, пенная, химическая (реагенты: известь, хлоридное железо, сернокислый алюминий, едкий натрий, амины, формалин, смоляной и животный клей, каустическая сода, канифоль и др.), биологическая и электрофлотация.
Экстракция при которой происходит смешивание взаимонерастворимых жидкостей. Загрязняющие вещества распределяются в них соответственно своей растворимости по закону распределения
К = Сэ / Св, (7.1)
где К – коэффициент распределения;
Сэ – концентрация вещества в экстрагирующем агенте (бензол, эфир и т. п.), мг/л;
Св – концентрация вещества в воде, мг/л.
Экстрагент подается в вертикальный отстойник, затем перемещается в нижнюю часть. Осветленная вода поступает в верхнюю, при разделении жидкостей экстрагент подается на регенерацию.
Сорбция используется для собирания загрязнения на поверхности твердого вещества (адсорбция) или при вступлении в химическое взаимодействие с ним (хемосорбция). Применяют фильтры загруженные активированным углем, коксовой мелочью, каолином, торфом, опилками, золой и т. п. Метод позволяет доводить очистку до 99,6%.
Эвапорация состоит в отгонке летучих веществ с водяным паром, для этого используют дистилляционные колонны.
Опреснение осуществляется путем возгонки жидкой фазы и кристаллизации твердого осадка. Способ дорогой, требует больших энергозатрат и дорогостоящего оборудования.
Химические методы: коагуляция, нейтрализация, окисление.
Коагулирование осуществляется при добавлении к стокам реагента (коагулянта), способствующего быстрому выделению ВВ и эмальгированных веществ, если другие способы неэффективны. Следует учитывать рН. Так, наибольший эффект дает коагуляция сульфатом алюминия при рН 5–8, гидратом окиси железа – рН 8–9. Применяют смеси: сульфата железа (25 мг/л), активированного кремнезема (10) и доломитовой извести (150) для очистки НП (от сотен мг/л до 5 мг/л). За рубежом применяют шлам водоумягчительных установок (1 кг СаСО3 выводит 500 г НП). Еще эффективнее коагуляция с применением квасцов (30–50 мг/л).
На практике в промышленности применяют коагуляцию в комплексе с отстаиванием и фильтрованием, так как их применение в десятки раз сокращает период отстаивания и повышает эффективность фильтрации. Наряду с коагулянтами добавляют флокулянты, снижающие количество выпадающих осадков и интенсифицирующие процессы коагуляции. Для этого используют активированную кремневую кислоту, поликриламид, карбоксиметилцеллюлозу, альгинат и др. Широко используют деэмульгаторы типа ОП-7, ОП-10 и др.
Нейтрализации подвергаются кислые сточные воды. Есть несколько способов: 1) смешение со щелочными стоками (бытовые с производственными); 2) добавление реагентов нейтрализации в виде раствора (мокрое дозирование) или сухого порошка (сухое дозирование); 3) фильтрация через нейтрализующие материалы; 4) продувка через сточную воду углекислого газа.
Окисление применяют, если другие методы неэффективны. Использование гипохлорида натрия, кислорода, озона и др. понижает концентрацию НП, сероводорода, микроорганизмов. Применяют следующие сооружения: смесители – для смешивания с реагентами; камеры реакции; отстойники для осадки реагентов. Вместе с тяжелыми металлами и растворимыми соединениями выводятся и органические вещества.
Биологическая очистка заключается в минерализации органических загрязнителей, находящихся в растворенном и тонкодиспергированном нерастворимом и коллоидном состоянии. Очистка осуществляется при помощи аэробных микробов в специальных сооружениях: биофильтрах, аэротенках, окситенках. После специальных сооружения стоки подаются во вторичные отстойники для осветления. Чаще всего после завершения очистки сточные воды дезинфицируют хлором (жидким или хлорной известью).
К новым методам (безреагентным) очистки относят обработку в магнитных и электрических полях, облучение в различных диапазонах, диспергирование.
Магнитная обработка при перекачке сточных вод. При отсутствии магнитного поля на стенках металлических труб происходит отложение гипса и кальцита, при намагничивании формируются мелкие кристаллы размером 3-5 мкм, которые не задерживаются в коллекторе и уносятся стоком.
Электрокоагуляция и электрофлотация применяется для очистки от эмульгированных НП. Метод основан на анодном растворении металлического алюминия или железа и образовании в прианодном пространстве хлопьев осадка, обладающего высокой адсорбционной способностью. На аноде вследствие электролиза воды выделяется водород, который фторирует образовавшиеся хлопья гидроокиси алюминия или железа. С помощью этого простого метода добиваются интенсивного осветления и снижения концентрации НП.
Диспергирование частиц размером 0,5–2 мкм обеспечивается проникновением их через пористый коллектор. В институте ВНИИнефть разработана инструкция по очистке сточных вод с применением гидродинамических излучателей.
При наличии в стоках трудно очищаемых особо вредных веществ можно применять малые системы промышленной канализации, где используется аккумуляция, сжигание и складирование в глубоких поглощающих горизонтах (Гаев и др., 1986).