Исходная вода поступает через распределительное устройство в воздухоотделитель, оттуда по отводящей линии через регулирующее сопло направляется в смесительную часть нижнего конуса осветлителя. Сюда же подается известковое молоко и раствор коагулянта. Перемешивание воды и реагентов обеспечивается за счет тангенциального подвода воды в коническую часть корпуса. Регулирующее сопло позволяет менять скорость поступления воды в смесительную часть корпуса. По мере подъема обрабатываемой воды в осветлителе вращательное движение гасится благодаря наличию вертикальных успокоительных перегородок и смесительной решетки. В результате взаимодействия введенных реагентов с обрабатываемой водой выделяется осадок (шлам). Шлам поддерживается во взвешенном состоянии восходящим потоком воды и образует контактную среду, наличие которой ускоряет и улучшает процессы очистки воды. Обработанная вода, пройдя верхнюю распределительную решетку, через сборный короб выводится из осветлителя в промежуточный бак. Выделившийся в шламонакопителе осадок частично уплотняется и дренируется с продувочной водой. Продувка шламоуплотнителя осуществляется непрерывно или периодически небольшими порциями. Песок, скапливающийся в конусе днища осветлителя, периодически удаляется через дренаж осветлителя.
Осветлители со взвешенным слоем обладают по сравнению с осаждением взвеси из горизонтального потока воды в отстойниках следующими преимуществами: ускоряется процесс хлопьеобразования за счет каталитического влияния ранее сформированной взвеси и интенсификации массообмена, улучшаются гидравлические условия отделения твердой фазы, снижается расход реагентов вследствие более полного использования адсорбционных свойств осадка.
Осветлитель представляет собой стальной сосуд, установленный вертикально на кольцевой опоре. Верхняя цилиндрическая часть корпуса соединена при помощи конического перехода с нижней цилиндрической частью, к которой приварено коническое днище. В коническом днище установлено устройство для регулирования скорости подачи исходной воды в зону смешения с реагентами – съемное сопло.
Внутри корпуса в верхней его части установлено: устройство для удаления воздуха с распределительной системой, называемой воздухоотделителем; устройство для равномерного отвода осветленной воды в приемные баки и кольцевой сборный желоб с отводящей камерой (сборный короб).
В средней части осветлителя находятся вертикальные перегородки и горизонтальная решетка с отверстиями диаметром 100 мм.
Внутри корпуса осветлителя установлено устройство приема и уплотнения образующегося в процессе работы шлама – шламоуплотнитель. Шламоуплотнитель представляет собой цилиндр с коническим днищем.
Для отвода отстоявшейся воды из шламоуплотнителя в верхней части его
корпуса внутри имеется сбор кольцевой коллектор с отводящей трубой. Отвод воды («отсечка») осуществляется в основную отводящую камеру осветлителя.
Нижняя коническая часть шламоуплотнителя оборудована отводящей трубой для сбора шлама в режиме непрерывной продувки осветлителя. Аналогическое устройство выполнено в коническом днище осветлителя для периодической продувки.
Для контроля за процессом обработки воды осветлитель снабжен пробоотборными устройствами.
На ХВО установлены два осветлителя, один из которых находится в работе, другой – в ремонте или резерве. После умягчения в осветлителе вода собирается в двух промежуточных баках, емкостью 630 м3 каждый для дальнейшей очистки.
Коллоидные частицы имеют малые размеры, а природная вода, содержащая их, отличается высокой устойчивостью. Это означает, что коллоидные частицы не способны к самопроизвольному слипанию и не выделяются из воды в виде твердой фазы. Причиной этого является то, что все коллоидные частицы данного вещества (глина, органические вещества) несут одноименный электрический заряд (обычно отрицательный), препятствующий их сближению и объединению в хлопьевидные относительно крупные агрегаты.
Эффективным способом коагуляции (укрупнения) является обработка коллоидных растворов специальными реагентами (коагулянтами). При определенной дозировке коагулянтов в воде образуется новая коллоидная система, частицы которой несут противоположенный по знаку природным коллоидным частицам заряд (обычно положительный). Это вызывает взаимную коагуляцию природных и вновь образованных коллоидных частиц.
После ввода в природную воду определенной дозы коагулянта вначале происходит помутнение воды, затем с течением времени образуются рыхлые видимые глазом хлопья, оседающие вниз и увлекающие за собой грубодисперсные примеси. При этом наблюдается увеличение прозрачности исходной воды.
В качестве коагулянта на ХВО используется закисное сернокислое железо (железный купорос) – FeSO4*7H2O.
В упрощенном виде этот процесс можно разбить на несколько этапов:
1) растворение и электролитическая диссоциация
FeSO4 ↔Fe+2 + SO4;
2) образование гидроксидов
Fe+2 + 2H2O↔ Fe (OH)2 + 2H+;
3) переход двухвалентного гидрооксида железа в трехвалентный при взаимодействии с растворенным в воде кислородом
4Fe (OH)2 + O2 + 2H2O → 4 Fe (OH)3;
4) нейтрализация образующихся при гидролизе ионов водорода бикарбонатами (щелочностью) природной воды
H+ + HCO3 → H2CO3 → CO2↓ + H2O.
Обработка воды гашеной известью гидрооксидом кальция Ca(OH)2, называется известкованием. Основное назначение известкования – снижение бикарбонатной щелочности воды. Одновременно с этим уменьшаются жесткость, солесодержание, концентрации грубодисперстных примесей, соединений железа и кремневой кислоты. Повышение рН воды с целью снижения бикарбонатной щелочности производится гашеной известью, которая подается в воду в виде суспензии (известкового молока).
Процесс известкования основан на том, что щелочность природной воды обусловлена в основном ионами НСО3, находящимися в химическом равновесии, зависящим от значения рН, с недиссоциированной угольной кислотой и карбонат-ионами. При вводе гашеной извести СаО, снижение щелочности достигается повышение рН воды более 10,0 выводом образующихся карбонат-ионов в составе трудно растворимого вещества СаСО3. В общем виде процесс известкования состоит из следующих стадий:
1) диссоциации, приводящей к повышению рН
Са(ОН)2 ↔ Са+2 + 2ОН -,
2) гидратации свободной углекислоты и последующей диссоциации по схеме
СО2 + Н2О + 2ОН- → СО32- + 2Н2О,
3) диссоциации бикарбонат-ионов, присутствующих в воде и определяющих ее щелочность
НСО3- + ОН- → СО32- + Н2О,
4) выделения в твердую фазу ионов Са+2 (содержащихся в исходной воде и введенных с известью) и СО3-2
Са+2 + СО3-2 → СаСО3↓
при достижении произведения растворимости СаСО3.
При превышении дозы извести над ее количеством, необходимым для декорбонизации, в воде появляется избыточная концентрация гидроксильных ионов и может быть превышено произведение растворимости Mg(OH)2, который в этом случае выделится в твердую фазу:
Mg+2 + 2OH → Mg(OH)2↓.
Эксплуатационный избыток извести выбирается в пределах 0,1–0,2 мг-экв/кг, что определяет наличие в известкованной воде титруемой гидратной щелочности, повышение рН до 10,0–10,3 единиц и практическое отсутствие титруемой бикарбонатной щелочности.
Даже при хорошо налаженном режиме работы осветлителя не удается получить воду без грубодисперсных примесей. Такая вода не может быть направлена на дальнейшую очистку и требует дополнительного осветления. На ХВО это осветление производится при помощи фильтрования воды через механические фильтры. Фильтрование представляет собой сложный процесс очистки воды от грубодисперсных примесей, происходящий при течении воды через пористую среду.
Из промежуточных баков () умягченная вода насосами подается для дальнейшей очистки на механические фильтра. Осветление воды при пропуске через механические фильтра происходит в результате прилипания к частицам зернистой загрузки фильтра грубодисперсных примесей исходной воды под действием молекулярных сил притяжения. Интенсивность прилипания тем больше, чем меньше агрессивная устойчивость частиц. Последняя понижается в результате предварительной обработки воды коагулянтом. Образующиеся при этом хлопья легко прилипают к зернистой загрузке, и достигается высокий эффект осветления при сравнительно большой скорости фильтрования. Для фильтрования воды на ХВО используются четыре механических фильтра, производительностью 180 м3/час каждого. Механический фильтр () вертикальный двухкамерный. Камеры работают параллельно. В качестве фильтрующего материала в основном используется антрацит. В настоящее время механические фильтра ХВО загружены титановой крошкой. Количество работающих фильтров определяется потреблением добавочной воды потребителями. При достижении перепада давления на механическом фильтре между входом и выходом более 1 кгс/см2 фильтр выводится из работы для проведения взрыхляющей промывки противотоком. Окончание промывки определяется по прозрачности.
Осветлительный вертикальный двухкамерный фильтр состоит из корпуса, нижних и верхних распределительных устройств, трубопроводов, запорной арматуры и пробоотборных устройств.
Корпус фильтра – целиндрический, сварной из листовой стали, с приваренными эллиптическими штампованными днищами, с глухой плоской межкамерной перегородкой.