Очистка воды

Очистка является важным этапом в общем комплексе методов улучшения качества воды, так как она повышает ее физические показатели. При этом в процессе удаления из нее взвешенных частиц удаляется и значительная часть микроорганизмов. Таким образом, полная очистка воды позволяет легче и экономичнее осуществить ее обеззараживание. Очистка осуществляется механическим методом (отстаивание), физическим (фильтрование) и химическим (коагуляция).
а)     Отстаивание, при котором происходит осветление и частичное обесцвечивание воды, практически осуществляется в специальных сооружениях — отстойниках. Принцип их действия состоит в том, что благодаря поступлению через узкое отверстие и замедленному протеканию воды в отстойнике основная масса взвешенным частиц оседает на дно, однако мельчайшие частицы, в том числе и значительная часть микроорганизмов, не успевает осесть. Процесс отстаивания в отстойниках различной конструкции продолжается в течение 2—4—8 часов.
б)     Фильтрация воды — процесс более полного освобождения ее от взвешенных частиц. Она заключается в том, что воду пропускают через фильтрующий мелкопористый материал, чаще всего через песок с определенным размером частиц. Фильтруясь, вода оставляет на поверхности и в глубине фильтрующего материала взвешенные частицы. На водопроводных станциях фильтрация применяется после отстаивания и коагуляции. В санитарной практике используются медленные и быстрые (скорые) фильтры.

Медленный фильтр представляет собой резервуар, изготовленный из бетона или кирпича, загруженный послойно щебнем, галькой, гравием, песком с постепенно уменьшающимся вверх размером частиц. Общий слой песка равен 1—0,8 м. В дне фильтра устраивается дренаж из железобетонных плит или дренажных трубок с отверстиями. Вода пропускается через фильтр медленно со скоростью 0,1—0,3 м/час. При такой небольшой скорости фильтрации достигается почти полное осветление воды и значительное освобождение ее от микроорганизмов (99%). Фильтрация воды на медленных фильтрах происходит медленно, спокойно, фильтры загрязняются редко, поэтому имеют большой период работы между чистками. Ход фильтрации близок к естественной фильтрации воды в природе и представляет собой сложный биологический процесс. В процессе фильтрования воды на поверхности и в верхних слоях фильтра появляется так называемая биологическая пленка, образующаяся путем задержки из воды различных органических остатков, минеральных веществ, коллоидных частиц и большего числа микроорганизмов. На образование пленки требуется несколько дней, этот период носит название «созревания» фильтра. Образовавшаяся в результате созревания фильтра биологическая пленка способствует минерализации органических веществ и уничтожению микрофлоры.

В целом основными факторами, способствующими очистке воды в медленном фильтре, является: механическая задержка взвешенных веществ, адсорбция, окисление (химическое действие кислорода, растворенного в воде), ферментативная деятельность микроорганизмов, биологические процессы, связанные с жизнедеятельностью простейших, живущих в фильтре. Несмотря на высокую эффективность очистки, медленные фильтры в настоящее время применяются на малых водопроводах, в сельских населенных пунктах в силу их небольшой производительности.

На крупных водопроводных станциях в СССР и других странах используются скорые фильтры (рис. 7), пропускающие через единицу своей площади в час слой воды в 50 раз больше, чем медленные, что значительно сокращает их объем и стоимость сооружения. В результате большой нагрузки на фильтр он довольно быстро загрязняется. Это требует периодического промывания фильтра обратным током воды снизу вверх.

схема скорого фильтра
Рис. 7. Схема скорого фильтра. 1 — уровень воды при промывке фильтра; 2 — уровень воды при работе фильтра; 3 — желоб; 4 — слой воды; б — песок; 6 — гравий; 7 — трубы дренажа; 8 —регулятор скоростной фильтрации.


В настоящее время для очистки воды применяется фильтр АКХ (Академии коммунального хозяйства). В этом фильтре вода фильтруется одновременно сверху вниз и снизу вверх к середине. Это позволяет с одной и той же площади фильтра получать в 2 раза больше воды, чем в обычных фильтрах. В последние годы в санитарной практике начали применять кварцево-антрацитовый фильтр, который позволяет увеличить скорость фильтрации до 10—12 м/сек.
в) Коагуляция представляет собой химический метод очистки воды. Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет освободить воду от загрязнений, находящихся в виде взвешенных частиц, не поддающихся удалению ни отстаиванием, ни фильтрацией. Сущность коагуляции заключается в том, что к воде добавляется химическое вещество (коагулянт), способное реагировать с бикарбонатами, находящимися в воде. В результате этой реакции образуются крупные, довольно тяжелые хлопья гидроокиси, несущие положительный заряд. Оседая в силу тяжести, они увлекают за собой находящиеся в воде во взвешенном состоянии частицы загрязнений, заряженные отрицательно, и тем самым способствуют довольно быстрой очистке воды. За счет этого вода становится прозрачной, улучшается ее показатель цветности.

В качестве коагулянта в настоящее время наиболее широко применяется сернокислый алюминий (сульфат алюминия или сернокислый глинозем), образующий с бикарбонатами воды крупные хлопья гидрата окиси алюминия, кроме того, используются высокомолекулярные флокулянты: щелочной крахмал, активированная кремневая кислота и другие синтетические препараты, производные акриловой кислоты — полиакриламид (ПАА).

Сернокислый алюминий применяется в различных дозах от 30 до 200—300 мг на 1 л воды. Такой широкий диапазон доз зависит от рН воды, ее температуры, наличия в воде бикарбонатов, характера взвеси, наличия гуминовых веществ, мутности, цветности и т. д.

Особенно большое значение имеет щелочность воды. Часто в весенний период, когда в водоем поступает большое количество паводковых вод, щелочность воды резко снижается, бикарбонатов в воде оказывается недостаточно и коагуляция протекает крайне вяло или совсем не наступает. В этих случаях воду приходится предварительно подщелачивать. Таким образом, доза коагулянта определяется и рассчитывается предварительно опытным путем, исходя из конкретных условий. При добавлении к воде недостаточного его количества происходит слабое хлопьеобразование, а следовательно, и недостаточное осветление воды, в результате чего качество ее будет неудовлетворительным.

Введение коагулянта в избыточном количестве также неблагоприятно влияет на качество воды, так как при этом он не успевает полностью реагировать с бикарбонатами, полный гидролиз наступает значительно позже, в результате чего вновь образовавшиеся хлопья снова делают воду мутной (вторичная коагуляция).

Обычно на водопроводных станциях необходимая доза коагулянта дозируется автоматически и подается в воду.

В настоящее время в водопроводной практике применяется новая установка, заменяющая собой весь комплекс очистных сооружений обычного типа и работающая по схеме: коагуляция, отстаивание, фильтрация. Эта установка носит название «контактный осветлитель» (рис. 8). Он представляет собой бетонный резервуар, заполненный гравием и песком на высоту 2,3—2,6 м. Вода подается через систему труб в нижнюю часть осветлителя, а коагулянт вводится непосредственно в трубопровод перед поступлением воды в осветлитель. Коагуляция происходит в нижних крупнозернистых частях осветлителя, в верхних задерживаются хлопья коагулянта и других взвешенных частиц. Недостатком контактного осветлителя является его небольшая производительность и быстрое загрязнение, что требует его частой очистки.

схема устройства контактного осветлителя
Рис. 8. Схема устройства контактного осветлителя. 1 — зернистая загрузка; 2 — сборный карман; 3 — отвод промывной воды; 4 — отвод осветленной воды; 5 — сток; 6 — подача речной воды; 7 — подача промывной воды.