Водозаборно-очистные сооружения и устройства

Стремление к повышению экологически чистого защитно-барьерного и водоочист­ного действия водозаборов из поверхностных источников, воды которых содержат ми­неральные и органические загрязнения, обусловливает необходимость усовершенство­вания водозаборно-очистных сооружений, располагаемых непосредственно в русле во­дотоков и водоемов и позволяющих осуществлять одновременно водоотбор и предвари­тельную очистку воды. При этом исключается необходимость транспортирования уда­ляемых из воды и планктона взвеси за пределы водоисточника. В большинстве случаев для удаления из воды взвесей с размером частиц более 0,001 мм в практике водоочист­ки применяют обычно безреагентное осветление воды в водозаборных ковшах и отстой­никах (эффект осветления достигает 60-70%), микропроцеживание (микрофильтрация) на микрофильтрах (40-60%), префильтрацию, через крупнозернистую загрузку из щеб­ня, гравия, песка и других зернистых фильтрующих материалов (60-80%). При сущест­вующих разграничениях функций водозаборов и водоочистных сооружений частицы песка, ила, глины, планктона (водорослей) с размерами 0,001-1 мм, проходя через водо­приемники с открытым водозабором и водоочистные сетки водоприемных береговых колодцев, пойдут на водоочистные станции. Часть взвеси выпадает в осадок в берего­вых колодцах, требуя периодической чистки колодцев и самотечных линий. Основнаяже часть взвеси, включая водоросли, задерживается на водоочистных сооружениях. За­траты на удаление осадка и промывку сооружений водоочистки прямо пропорциональ­ны объему выделяемого из воды осадка W_oc и объему промывной воды Р_пр, расходуемой на удаление осадка из сооружений на станциях разной производительности.

Взвешенные вещества и планктон в источниках водоснабжения в большинстве слу­чаев не являются экологическими загрязнениями и участвуют в биологических процес­сах (биоценозах) источников. Извлечение взвеси и водорослей из воды на очистных со­оружениях реагентными методами, наоборот, образует экологически вредный осадок, а при хлорировании воды - хлорорганические соединения, токсичные для людей и экоси­стем водоисточников.

Параллельно с задержанием на водозаборах взвеси и планктона должна решаться проблема рыбозащиты. Открытый водоприем этой проблемы не решает. Малоэффек­тивны также решетки, плоские и вращающиеся сетки береговых и русловых водозабо­ров. В зарубежной практике в схему узлов водозаборов достаточно широко включаются инфильтрационные водоприемники, земляные бассейны-отстойники, наливные водо­хранилища в поймах, эффективно осветляющие воду в периоды повышенной мутности рек.

Высокую очистку воды от взвесей обеспечивают фильтрующие водоприемники с разного рода защитно-пористыми (фильтрующими) элементами или слоем естествен­ных аллювиальных отложений и др. Фильтрующий водоприем, реализуемый в весьма обширном диапазоне конструкций, может выполнять функции технологического эле­мента I (при расположении водоприемника в источнике) и даже II ступени очистки (по­сле отстаивания в водохранилищах), упрощая схему водоочистных станций. Наиболь­шей защитно-барьерной и водоочистной эффективностью обладают водоприемники с развитой водоприемной поверхностью и достаточно мощной фильтрующей толщей, что обеспечивает малые значения входных скоростей в фильтр v_ф.Установлено, что высо­кая защитная и очистная роль фильтров крупных водозаборов при водорослях обеспе­чивается при скоростях фильтрации v_ф ниже 0,05 м/с. Для защиты от наносов при вол­нении, водорослей, плавающего мусора, а также рыб и живности озер и морей круп­ность тела дамбы особого значения не имеет. Требуемые минимальные скорости филь­трации через тело дамбы, при которых обеспечивается защита молоди рыб, исключа­ется проникновение медуз, планктона и отмершей водной растительности, шугольда, наносов, не должны превышать 0,02 м/с. Фильтрующие водозаборы (дамбы, ковши) ус­пешно эксплуатируются на Каховском, Днепровском, Саратовском и др. водохранили­щах, на Азовском, Черном, Каспийском и Охотском морях.

Конструкция фильтрующего водоприемника должна соответствовать условиям ис­точника (учитывая чрезвычайные и редко повторяющиеся явления), технологическим (расходы, режимы водоотбора), экономическим возможностям потребителя и др. Филь­трующий водоприем в условиях Севера выполняет задачи защиты от шуголедовых по­мех, а также улучшает качество забираемой воды. Работами д.т.н. М.Г. Журбы и его кол­лег успешно развивается направление водозаборно-очистных сооружений с плавающи­ми фильтрующими слоями из гранул пенополистирола и волокнистых материалов. Для водопотребителей с расходами до 10-120 тыс. м³/сут с ограниченными энергоресурса­ми и задачами упрощения эксплуатации водозаборно-очистных сооружений, обеспечи­вающих максимальную очистку, целесообразны инфильтрационно-фильтрующие водо­приемники Н.Г. Хазикова, Ю.В. Якунина, Ю.И. Вдовина и др. Эти водоприемники мо­гут выполняться в виде подруеловых или береговых модификаций.

Практика показывает, что забор больших расходов воды (> 3,0 м³/с) из разных водо­емов, включая моря, даже с большим содержанием планктона, водорослей, наносов (М>4-5 тыс. мг/л) возможно осуществлять посредством фильтрующих береговых водо­заборов . Каждая из модификаций фильтрующих, инфильтрационно-фильтрующих или комбинированных водоприемников обладает различным защитно-барьерным и водоочистным действием, зависящим от большого числа обстоятельств и факторов.

Иифильтрационно-фильтрующие подрусловые водоприемники

а) фильтрующая дрена (Норвегия, патент 793874): 1 - защитный кожух; 2 - дрена; 3 - траншея; 4 - засыпка; 5 - аллювий; 6 - водоприемная щель; 7 - уровень дна; б) фильтрующая дрена (Австрия, патент 210168): 1 - водоприемный элемент; 2 - фильтрующая набивка; 3 - фиксирующая сетка; 4 - ребра; 5 - перфорация; в) фильтрующий блок (ФРГ, патент 2606921): 1 - дрена; 2 - перфорация; 3 - фильтрующий мат; г) дрена Ю.В. Якунина (р. Енисей): 1 - опорная плита; 2 - водоприемные окна; 3 - гравий; 4 - траншея; 5 - дно реки; 6 - фильтр; 7 - свод (короб); 8 - отмостка; д) дрена Ю.И. Вдовина (а.с. 1209763): 1 - траншея; 2 - щебень; 3 - дрена из спаренной полимерной трубы; 4 - водоприемные отверстия; 5 - крышка; 6, 7 - ребра жесткости; 8 - засыпка; е) дрена Н.Г. Хазикова: 1 - траншея; 2 - гравийно-галечная подготовка; 3 - щебень (d = 20-25 мм); 4 - перфорация; 5 - дрена; 6 - пористобетонный блок; 7 - фильтр

Выбор технологий водоприема и конструкций водоприемников, способных задер­жать (изъять) водоросли вместе с другими компонентами взвесей, должен обосновы­ваться на учете физико-химических особенностей и технологической сущности явлений и процессов, их формирующих, а также особенностей взаимодействия взвесей (водо­рослей) в отбираемой воде с фильтрами водоприемников. Важнейшей характеристикой взвесей (включая водоросли) является гидравлическая крупность водорослей и, прини­маемая меньшей, т.е. < 0,015 м/с.

В источниках взвеси, аналогичные водорослям (планктон, промышленные волокна и пр.), перемещаются транзитом и распределяются в водотоках и водоемах при скоро­стях турбулентного перемешивания U_ф> 0,03 м/с всем объемом перемещаемых водных масс. В водоемах эти перемещения обусловлены нагонами, волнениями, стратификаци­онными и донными течениями, плотностными перемещениями и др.

На основе методик А.С. Образовского и Е.М. Лаурсена сум­марные значения мутности в по­токах, включая водоросли (планк­тон), определяются по графикам распределения их величин по глу­бине водотока при коэффициенте распределения скоростей К = 0,15-1,00. На рисунке по оси абсцисс приведены значения от­носительной объемной мутности М/М_Δ (М - суммарная мутность воды в источнике; М_Δ - мутность воды на определенном горизонте), по оси ординат - относительные удаления точек отбора от дна во­дотока β = Δ/Н_Р при разных соот­ношениях гидравлической круп­ности водорослей (планктона) к скорости потока - u/v_a.

Относительные объемы мутности воды по глубине водостока

В зависимости от гидравлической крупности частиц взвеси, определяющей мут­ность воды, последняя, с учетом предположений А.С. Образовского, распределяется по следующей зависимости:

M/ΔM- относительная мутность; Г - недостаток скорости на расстоянии от дна Δ; υ_a, υ_Δ, υ_пов= υ_мax, U_ф - соответственно скорости: средняя, местная, на поверхности, турбулентного перемешивания; u - гидравлическая крупность взвеси.

Динамика проявлений водорослей (фитопланктона), взвесей в водохранилищах и в ниж­них бьефах аналогичны, но ниже плотин взвесей больше на 35-50%. Концентрация водорос­лей напрямую определяется температурой воды и соответственно температурой воздуха.

Эффективность промывки фильтров зависит от их типа, размещения в источнике, условий взаимодействия промывных вод с источником, характера засорений, обтекае­мости, величин отбираемых Q_вx, соотношений u_np/u_a(в реках), способов подвода и рас­пределения Q_np, площади водоприема Ω_ф и др. Оценка засоряемости и регенерации фильтров решается дифференцированно для принятых технологий водоприема, из кото­рых наиболее распространенными по классификации д.т.н. Ю.И. Вдовина являются:

1. Затопленные водоприемники (ряжи, колодцы, колонны, стенки и т.п. с крупнопо­ристыми фильтрами I, И, III типов) со сравнительно небольшими (до 100-200 м²), пло­щадями со с устройствами промывки.
2. Водоприемники с фильтрующими элементами w > 300-500 м² с устройствами для регенерации фильтров (фильтрующие ковши и откосы, инфильтрационно-фильтрующие дрены, галереи, дамбы, лотки, траншеи, рассечки и т.п.).
3. Инфильтрационно-фильтрующие и комбинированные водоприемники, работаю­щие в режиме инфильтрации с периодической регенерацией фильтров (снятие закольмати- рованного слоя, гидравлическое и механическое декольматирование, замена фильтра и др.).
4. Водоприемники, ориентированные на прием воды с учетом кольматации на весь срок эксплуатации с регенерацией их лишь при снижении u_ф и Q_вх ниже расчетных (шахтные колодцы, горизонтальные скважины, горизонтальные галереи, дрены и др.).

Крупность обсыпки фильтров по условиям сороудержания в предложении произ­водства промывок составляет 20-50 мм. Верхний предел крупности фильтров определя­ется гидрологическими условиями, технологией водоприема, принятой u_а, характером взвеси, направлением u_вx в фильтр.

При промывке мелкозернистого фильтра возможно образование «свищей». В филь­трах I типа d > 15 мм в первую очередь удаляются засорения, наносы и шуга, сносимые течением. В фильтрах II и III типов вымыву засорений препятствуют решетки, ряжи и др. Эффективность восстановления проницаемости фильтров повышается при водовоз­душной промывке. В фильтрах I типа воздух, обладая подъемной силой, выносит засо­рения. Наилучшие результаты водовоздушной промывки достигаются применением ви­хревых камер, струераспределителей.

Различные способы промывки (водой, воздухом, импульсами давлений и др.) целе­сообразно комбинировать для более гибкой эксплуатации водоприемников, повышения их надежности с восстановлением первоначальной проницаемости фильтров. Засоре­ния фильтров водоприемников в зависимости от принятой технологии водоотбора и эф­фективности его промывки могут быть:

• фильтрационные - отложения взвеси, шуги, засорений и пр. в толще фильтра под действием турбулентного фильтрационного потока;
• наносные - отложения наносов, засорений в подводных фильтрующих элементах. Предел размыва засорений из пор фильтров (с выносом в поток при промывке) характе­ризуется скоростью u_р, при которой начинается размыв (вынос) засорений:

где C₀ - коэффициент обтекания, зависящий от крупности взвеси, формы ее материала, характера обтеканий; γ и γ₁ - плотность воды и взвеси, г/м³.

Устойчивость фильтра определяется расположением его в сооружении, материалом и его однородностью, толщиной и пр. Полное удаление засорений (шуги) с поверхнос­ти и из толщи фильтра возможно и при неподвижной загрузке, без взвешивания ее. На­ибольшие Q_np для полного вымыва засорений нужны при крупных фильтрах III типа. Наименьшие Q_np и v_np обеспечивают полный вымыв засорений из фильтров II типа. Фильтр d_pc< 10 мм при промывке взвешивается, расширяясь до 40%. В фильтрах III ти­па при d >100 мм полный вымыв засорений требует значительных υ_np.

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 годы под руководством д.т.н. М.Г. Журбы были разработаны и внедрены сооружения, предназначенные для забора и предварительной очистки поверхностных вод, в которых широко использованы фильтрующие легкие гранулированные обсыпки.

Дренажные и промывные элементы являются важнейшими в конструкции любого водоприемника с фильтрующими элементами и могут выполняться в виде аванкамер (раструбных, вихревых, телескопических, открытых и др.) или иных типов водосборно­промывных устройств (трубчатых с различной перфорацией, эжекционных, трубофиль- тров с пористым слоем и др.).

К таким сооружениям относятся и оголовки русловых водозаборов, выполненных в виде железобетонных колодцев, боковые стенки которых имеют по периметру вход­ные окна. Внутрь короба вставлен каркас из металлических стержней, заполненный крупными гранулами вспененного полистирола или шунгизита с d_ВC= 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 включении 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, запро­ектированные по типовому проекту ТП 901-1-27, производительностью 50 м³/ч, вклю­чающие два русловых затопленных водоприемника в виде металлических цельносваренных воронок, оборудованных рыбозащитными сетками с ячейкой 1x1мм, самотеч­ные трубопроводы, береговой железобетонный водоприемный колодец глубиной 12 м, совмещенный с насосной станцией первого подъема.

Конструктивные схемы водозаборно-очистных сооружений с пенополистирольной загрузкой

а) русловой раструбный фильтрующий оголовок; б) водозабор-фильтр из каналов; в) трубчатый фильтр; г) насосно-фильтровальный плавающий агрегат; д) улитковый насосно-фильтровальный 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, обеспечение требуемых расходов воды и требуемой степени очистки воды;
• 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;
• расчет эжекторных промывных устройств с учетом свойств вспененных гранул пенополистирола.

Технологическая схема водозабора, включающая водоприемник, водоочистной се­точный колодец и насосную станцию, выбирается соответствующей требуемому расхо­ду воды, категории водозабора по надежности подачи воды, гидрологической характе­ристике водоисточника, особенностям местных условий строительства сооружений, требованиям санитарной инспекции и рыбоохраны, а также управлений 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 должен 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 м³/сут отпадает необходимость в устройстве береговых сооружений по ос­ветлению воды. В этом случае скорость безреагентного фильтрования в водозаборно­очистной фильтрующей установке принимается в пределах до 1-5 м/ч;
• диаметр самотечного или всасывающего трубопровода D_пp 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 грубодис­персные 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 осу­ществляются 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, находящейся в самотечно-сифонных линиях, при отключении насосов I подъема.

Применение воздуха уменьшает Q_пp, дает ряд технико-эксплуатационных преиму­ществ (уменьшение запасов промывной воды, отказ от установки насосов и пр.). Воздух от компрессора в фильтры может подаваться по самотечно-промывным коммуникациям. Водовоздушная промывка особо целесообразна при водоотборе из рек с малыми глубинами и из водоемов. Добавление воздуха 35-50 л/см² площади сокращает Q_пpи время промывки до 2 раза.

Для оценки технологических свойств и области применения фильтрующей обсып­ки из дробленого пенопласта были проведены ее испытания в процессе осветления при­родных вод р. Днестр. Безреагентное фильтрование речной воды с удель­ной производительностью до 15 м³/м² 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.м² в течение 2-3 минут.

Результаты испытаний процессов осветления речной воды в фильтрующей загрузке из отходов пенопласта

Крупность гранул фильтрующей загруз­ки, мм	Скорость фильтрования, м/ч	Взвешенные вещества в исходной воде, мг/дм3	Прирост потерь напо­ра, см/ч	Эффективность осветления воды, %
2-5	10	80-100	10-15	61-67
2-5	25	120-150	15-30	45-60

Анализ известных и вышеописанных 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.

Контроль за степенью обезвреживания ведут по анализам воды, отбираемой в на­чальной точке водовода на берегу.

Дальнейшее расширение функциональных возможностей водозаборно-очистных узлов развивается путем создания в них двух- и трехступенчатых схем водоочистки.