Система технического водоснабжения

Водные ресурсы страны и их использование

Вода является одним из важнейших элементов, необходимых для существования всего живого на земле. Без воды немыслима хозяйственная и производственная деятельность людей. В настоящее время проблема обеспечения отраслей народного хозяйства водой приобретает все большую актуальность.

По величине водных ресурсов наша страна занимает одно из первых мест в мире. Хотя по объему речного стока превосходит крупнейшие страны мира, показатель удельной водообеспеченности на 1 км² территории нашей страны ниже, чем в ряде стран. Территориальное распределение поверхностных вод крайне неравномерно. Более 86 % речного стока формируется в хозяйственно слабо освоенных северных и восточных районах страны вдали от центров водопотребления, 14 % его относится к территории, где сосредоточено около 85 % населения и 80 % промышленного и сельскохозяйственного производства.

Источниками пресной воды являются:

1 ледники и глетчеры;

2 подземные и грунтовые воды;

3 озеро и болото;

4 атмосферные осадки.

Пригодная для использования вода – из рек, ручьев, озер, частично подземных вод.

Вопросам рационального использования и охраны природных вод должно уделяться большое внимание.

В последние десятилетия вопросы водообеспечения и охраны вод приобрели характер серьезной проблемы, от разрешения которой в известной мере зависит дальнейшее успешное развитие экономики страны.

Исходя из этого, в последние годы был принят ряд законов и постановлений, касающихся учета, использования и охраны природных ресурсов.

Предприятия, организации, учреждения, деятельность которых влияет на состояние вод, обязаны проводить технологические, санитарные и другие мероприятия, обеспечивающие охрану вод от загрязнения и засорения.

Охрана окружающей среды – одна из функций государства. В Конституции записано, что в интересах настоящего и будущих поколений принимаются все необходимые меры для охраны и рационального использования земли и ее недр, водных ресурсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей человека среды. Конституция обязывает всех граждан беречь природу и охранять ее богатства.

Особую остроту и актуальность проблема окружающей среды приобрела в эпоху научно-технической революции. Вторгаясь с помощью современной техники в природные процессы, человек нарушает закономерности их протекания, своей деятельностью вызывает нежелательные для него же самого изменения в биосфере.

В стране введены «Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами». Нормы допустимых концентраций различных интегрентов, указанные в этих Правилах, рассчитаны на использование воды для хозяйственных и бытовых нужд без вреда для здоровья людей.

Сброс неочищенных производственных или бытовых сточных вод в водоем оказывает на него многообразное отрицательное воздействие, Прежде всего загрязненная вода не может быть использована для водоснабжения бытового и хозяйственного назначения. Кроме того выпуск загрязненных стоков, содержащих растворимые и нерастворимые органические вещества, кислоты, щелочи, ядохимикаты, соли тяжелых металлов и т. д., приводят к образованию шламовых донных отложений, полному или частичному загниванию или изменению состава воды, сопровождающемуся деградацией или гибелью водной фауны и флоры, прекращению доступа воздуха из атмосферы и, следовательно, к общему ухудшению санитарного состояния водоема.

Поэтому актуальной задачей является наиболее рациональное, экономное расходование воды с целью обеспечения населения чистой водой и охраны водных ресурсов. Один из путей решения этой задачи – сокращение потребления исходной воды на единицу выпускаемой продукции и для бытовых нужд; другой - предотвращение попадания загрязнений в открытые водоемы и подземные пустоты.

В настоящее время существует настоятельная необходимость оптимизировать использование водных ресурсов в направлениях:

1 Совершенствование технологии очистки сточных вод, включая их утилизацию и извлечение ценных веществ. Основным средством борьбы с вредными выбросами промышленных и коммунальных предприятий является ввод очистки сооружений, назначение которых заключается чаще всего в извлечении из сточных вод определенного количества вредных компонентов. Предполагается, что оставшееся после очистки количество загрязняющих веществ не опасно для окружающей среды. Однако остаточное количество загрязнений в очищенных сточных водах остается все невысоким. Чтобы снизить это количество, можно применять более совершенные методы глубокой очистки, но в этом случае резко возрастает стоимость очистных сооружений.

В результате народное хозяйство поставлено перед необходимостью:

а) совершенствования или изменения технологических схем и процессов производства, потребляющих значительное количество воды, для уменьшения количества сточных вод и улучшения их качества;

б) перехода на такие технологические процессы, которые бы полностью исключили образование сточных вод («сухие» технологические схемы). Будущее, конечно, принадлежит технологии (в настоящее время, к сожалению, пока не существует), которая сможет использовать все получающиеся на отдельных стадиях продукты в сложных циклах производства, напоминающих циклы природных систем. Это так называемая безотходная технология.

2 Максимальное использование систем оборотного и повторного использования воды в балансе суммарного водопотребления (оборотное - многократное использование воды, отработанной в технологическом процессе с соответствующей ее обработкой, с очисткой, охлаждением и т. д.): повторное использование – использование отработанной воды после технологического процесса другим водопотребителем.

Генеральным направлением в отечественной промышленности по сокращению потребления воды и уменьшению загрязнения водоемов является создание таких технологических систем в масштабах отдельных производств, цехов, предприятий и целых промышленных комплексов, в которых осуществляется многократное использование воды без каких-либо выбросов загрязненных стоков в водоемы, а добавление исходной воды связано только с необходимыми технологическими переделами и естественными потерями. В основу указанных систем закладывается:

- разработка новых технологических процессов, характеризующихся значительным сокращением потребления исходной воды и образования загрязненных стоков, либо полным исключением воды из технологических операций;

- локальная обработка сточных вод от отдельных узлов производства с утилизацией ценных компонентов и подготовкой воды для повторного использования;

- организация систем оборотного водоснабжения, включающее использование паводковых вод и атмосферных осадков, отводимых с территории предприятия.

Водопотребление. Основные категории водопотребления

Суммарное водопотребление в городе слагается из расходов на:

1 Хозяйственно-питьевые нужды населения (питье, приготовление пищи, умывание, стирка белья, поливка улиц и зеленых насаждений и т. п.).

2 Производственные (технологические) нужды промышленности. В промышленности вода служит в качестве: непосредственного химического реагента или промышленного сырья; среды, в которой протекают те или иные химические реакции; средства для поддержания определенных технологических параметров; компонента энергетических систем; средства для транспортирования сырья, продукции отходов. Определенное количество воды используется для промывки оборудования, мытья производственных помещений, а также для хозяйственных и бытовых целей.

Применение воды в качестве химического реагента общеизвестно. Примером могут служить реакции гидролиза, присоединения и разложения воды и т. д. Так при взаимодействии окислов S, N и P, фтористого и хлористого водорода с H₂O образуется серная, сернистая, азотистая, азотная, фосфорная и соляная кислоты.

Способность воды растворять различные газообразные соединения используется не только в технологии различных производств, но и в системах очистки получивших название абсорбционных. Это получение цемента и различных вяжущих веществ. Эти производства основаны на их способности образовывать с водой весьма прочные гидратные соединения. Электролизом водных растворов можно получить различные продукты, в частности, широко используемые в народном хозяйстве хлор и каустик.

Большинство химических реакций протекают в водных растворах, суспензиях или эмульсиях. При растворении в воде вещества переходят в форму, облегающую их дальнейшее взаимодействие с другими веществами, Например, поваренная соль инертна к аммиаку и двуокиси углерода, а при растворении в воде эти вещества вступают в реакцию с образованием осадка дикарбоната натрия и хлористого аммония. Эта реакция лежит в основе технологии производства соды.

Известно, что вода является наиболее распространенным теплоносителем для поддержания определенной температуры в технологических системах, при этом она применяется в жидком или парообразном состоянии.

Современные энергетические системы – атомные, гидро- и теплоэлектростанции – немыслимы без использования воды. Ее расход для крупной ТЭС исчисляется сотнями тысяч кубических метров в сутки.

Вода широко применяется для транспортирования сырья, полуфабрикатов, готовой продукции и отходов. Практически все процессы переработки минерального сырья связаны с водой – обогащение, растворение, химические превращения, заводнение пластов (при добыче нефти и газа), удаление отходов. Примером гидроудаления отходов газа является замкнутые контуры для транспортирования в отвалы фосфогипса золы и т. д. Любой сброс загрязненной воды предприятия есть не что иное, как транспортирование отходов предприятия к месту сбраживания, сброса, накопления.

Огромное количество воды в ряде отраслей промышленности расходуется на отмывку продукции от примесей (например, в целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности и др.).

3 Для нужд пожаротушения.

4 На собственные нужды водного хозяйства (промывка фильтров, водоприемных устройств, сетей и т. д.).

Основные показатели качества природных вод

Качество воды характеризуется ее физическими и химическими свойствами и бактериальным загрязнением. К физическим свойствам относят температуру воды, мутность (или прозрачность), цветность, вкус и запах. Химические свойства обуславливаются содержанием в ней различных химических веществ.

Температура воды в различных источниках неодинакова. В открытых водоемах она зависит от температуры воздуха и колеблется по временам года и глубине расположения струи в потоке. Вода подземных источников имеет довольно постоянную температуру в течение года (равную 5-12ºС).

Взвешенные вещества в воде поверхностных источников содержатся всегда. Песчаные и глинистые частицы попадают в источник вследствие эрозий берегов и русла рек. Содержание взвешенных частиц (в мг/л) в воде открытых источников колеблется в очень широких пределах.

Содержание взвешенных веществ характеризует прозрачность воды. Она выражается в см и представляет собой минимальную толщину слоя, налитой воды в цилиндр, через который можно прочитать текст, отпечатанный определенным типографическим шрифтом или рассмотреть крест, нарисованный черными линиями толщиной 1 мм с четырьмя точками. Потому различают прозрачность «по шрифту» и «по кресту».

Цветностью называют окраску, которая может иметь вода и которая объединяется наличием гуминовых веществ или фульвокислот. Цветность выражается в градусах платиново-кобальтовой шкалы.

Запах воды может быть естественного и искусственного происхождения. Естественные запахи обуславливаются живыми и отмершими организмами, продуктами размыва русел. Запахи искусственного происхождения (фенольный, нефтяной, хлорный и др.) появляются в результате сброса в водоем сточных вод и обработки воды реагентами.

Запах и вкус оценивают по пятибальной системе:

1. очень слабый;

2. слабый;

3. заметный;

4. отчетливый;

5. очень сильный.

Химический состав воды может быть чрезвычайно разнообразными. Для оценки воды с точки зрения ее использования служат следующие показатели: плотный остаток, окисляемость, активная реакция, содержание железа, магния, хлоридов, сульфатов, фтора и др.

Плотный остаток выражается в мг/л и характеризует общее содержание в воде органических и неорганических веществ (кроме газов). Он определяется как остаток от выпаривания известкового объема не фильтрованной пробы воды и высушенной при температуре, равной 105-110ºС.

Жесткость воды (выражается в мг-экв/л) является важным химическим показателем, определяющим область ее пригодности для водоснабжения. Жесткость воды обусловлена содержанием в ней растворенных солей кальция и магния. Жесткость различают карбонатную и некарбонатную. Сумму карбонатной и некарбонатной жесткости называют общей. Карбонатной называют жесткость, обусловленную наличием двууглекислых (бикарбонатных) и углекислых (карбонатных) солей кальция и магния. Некарбонатной называют жесткость, обусловленную содержанием некарбонатных солей кальция и магния – сульфатов, хлоридов, силикатов и нитратов.

Щелочность воды обуславливается присутствием в ней бикарбонатов, карбонатов, гидратов и других солей слабых кислот и выражается в мг-экв/л. Различают щелочность бикарбонатную, карбонатную, гидратную, гуматную и т. д. Щелочность природной воды обычно равна карбонатной жесткости.

Окисляемость указывает на содержание в воде растворенных органических и некоторых легко окисляющихся неорганических веществ. Она измеряется в мг/л содержания молекул кислорода.

Активная реакция воды выражает степень щелочности или кислотности воды и характеризуется концентрацией в воде водородных ионов. Концентрацию водородных ионов обозначают через pH (потенциал водорода) и условно выражают логарифмом ее величины с обратным знаком. Иначе говоря, для нейтральной реакции – pH = 7, для кислотной - pH < 7, для щелочной – pH > 7.

Железо (мг/л) содержится в воде в виде двухвалентного (закисного) или комплексных соединений трехвалентного (окисного) железа.Марганец (мг/л) чаще всего сопутствует железу в виде бикарбоната закиси марганца.

Хлориды и сульфаты (мг/л) встречаются чаще всего в виде кальциевых, магниевых и натриевых солей.

Бактериальное загрязнение воды зависит от количества вносимых загрязнений от стоков, от купающихся людей и т. д. Бактериальная загрязненность воды характеризуется числом бактерий, содержащихся в 1 мл воды, и коли - титром (наименьшее количество воды, в котором обнаружена кишечная палочка).

Для оценки качества в санитарно-эпидемиологическом отношении определяется содержание в воде индикаторных бактерий, называется кишечной палочкой. Сама по себе она безвредна, но наличие ее свидетельствует о загрязнении воды, выделениям животных и людей и, следовательно, возможности попадания среди других и патогенных бактерий.

Нормы водопотребления

При проектировании систем водоснабжения определение требуемого потребителю количества воды является ответственной задачей.

С 1973 г. в нашей стране действуют нормы хозяйственно-питьевого водопотребления, утвержденные Госстроем России и приведенные в СНиП.

Нормой водопотребления называется количество воды, расходуемое данным потребителем за определенный промежуток времени, или количество воды, необходимое для производства единицы продукции.

В приведенных нормах расход воды учитывается на все хозяйственно-питьевые нужды людей как в жилых домах, так и общественных зданиях (столовых, банях, прачечных, кино, клубах и т. д.). Например:

Таблица 4 - среднегодовая за год

Характер оборудования зданий санитарно-техническими устройствами	Средняя норма потребления на одного жителя, л/сутки
Внутренний водопровод и канализация (без ванн)	125-160
Внутренний водопровод, канализация и ванны с местными водоподогревателями	160-230
Внутренний водопровод, канализация и система централизованного горячего водоснабжения	250-350

Расход воды не является постоянным и меняется по сезонам года, поэтому кроме средней суточной нормы () необходимо знать и вероятную максимальную суточную норму ().

В СНиП II-31-83 приведены рекомендуемые расходы на поливку и мойку улиц и площадей, а также на поливку зеленых насаждений. При отсутствии данных о подлежащих поливке площадях СНиП рекомендует принимать для предварительных расчетов суммарный расход воды 30-90 л/сут на одного жителя (в зависимости от климатических условий).

Расходы на хозяйственно-питьевые нужды рабочих принимают: для цехов со значительным тепловыделением - 45 л, в остальных цехах – 25 л на каждого работающего в смену. В дополнение к этому на производствах, связанных с загрязнением тела или требующих особого санитарного режима, должен быть учтен расход воды в душевых из расчета 500 л/час на одну смену.

Для систем водоснабжения промышленных предприятий расчетные расходы воды для нужд производства принимают по указанию технологов.

Расчетный расход воды для тушения одного пожара, а также число возможных пожаров на территории населенного пункта или промышленного предприятия устанавливают в зависимости от размеров населенных мест, расчетного числа жителей, огнестойкости построек, плотности и характера застройки. Расход воды для пожаротушения на промышленных предприятиях должен определяться в зависимости от характера производства и степени огнестойкости производственных зданий. Расчетное количество пожаров (одновременных) принимают в зависимости от площади территории: при площади до 150 га - один пожар, при >150 га – два.

При определении запаса воды, необходимой для тушения пожара, расчетную продолжительность тушения пожара принимают равной 3 часа.

Режим водопотребления

При разработке схемы и проектировании системы водоснабжения населенных мест и промышленных предприятий необходимо рассчитывать размеры отдельных сооружений, установок, число и мощность насосов, объем резервуаров, емкость баков водонапорных башен, диаметры труб водоводов. Размеры указанных элементов и узлов системы водоснабжения определяют путем их расчета в соответствии с количеством подаваемой ими воды и с назначенным для них режимом работы. Основным фактором, определяющим режим работы системы водоснабжения и ее элементов, является режим расходования воды потребителями, которых эта система должна обслуживать.

При проектировании водопроводов промышленных предприятий режим расходования воды на производственные нужды задается в соответствии с технологией предприятия графиком водопотребления.

Сложнее точно установить режим водопотребления населенных мест. Здесь режим расходования воды определяется целым рядом факторов бытового характера, связанных с режимом жизни и трудовой деятельности людей.

Чтобы правильно запроектировать режим работы отдельных элементов системы, необходимо задаться вероятным графиком водопотребления в течение расчетных суток наибольшего водопотребления.

В нормах хозяйственно-питьевого водопотребления указывается экспериментальная величина коэффициента часовой неравномерности () (величина обычно меньше для крупных и больше для мелких городов), показывающего во сколько раз максимальный часовой расход больше среднего часового для различных категорий населенных мест. Это позволяет определить расчетную величину максимального за сутки часового расхода. Для суток максимального водопотребления

, (56)

где - максимальный суточный расход воды в дни максимального водопотребления;

- средний часовой расход в сутки наибольшего водопотребления.

Величина вероятного максимального суточного расхода воды в дни максимального водопотребления населенного пункта на хозяйственно-питьевые нужды является тем расчетным расходом, на подачу которого должен быть рассчитан проектируемый водопровод

, (57)

где - норма расхода воды в литрах на одного жителя в сутки наибольшего водопотребления;

- расчетное число жителей.

Для определения полного суточного расчетного количества воды на хозяйственно-питьевые нужды населенного пункта к найденной величине необходимо добавить количество воды, требуемое на хозяйственно-питьевые нужды рабочих промышленных предприятий.

Расход воды за одну смену составит

, м³/см, (58)

где 0,025; 0,045 – норма водопотребления на одного работающего за смену в холодных и горячих цехах;

, - количество работающих соответственно в холодных и горячих цехах.

В 1 час максимального водопотребления расход равен

, м³/ч, (59)

где 2,5; 3 – коэффициенты неравномерности водопотребления соответственно в холодных и горячих цехах;

8 – число часов работы в смену.

Расход воды на прием душей составит

, м³/ч, (60)

где 0,5 – часовой расход воды на одну душевую сетку, м³/ч;

- количество душевых сеток.

Дополнительно должны быть определены расходы воды на технологические нужды промышленных предприятий, на поливку площадей, улиц и зеленных насаждений, а также на другие цели.

Расход воды в течение каждого часа также колеблется. Однако при расчете водопровода условно принимают, что расход в течение часа постоянен. Исходя из этого допущения, расчетный секундный расход в час максимального водопотребления

. (61)

Средний суточный расход воды на хозяйственно-питьевые нужды населенного пункта

, (62)

где - средняя норма расхода воды на одного жителя, л, (см. СНиПII-31-73, СНиП II-30-76).

Для проектирования водопровода, кроме максимального часового расхода, необходимо знать график вероятного колебания расхода воды по часам суток. Изучение режима водопотребления в населенных местах позволило определить для них характерные графики колебания расхода воды в течение суток.

Рисунок 15 – Пример построения подобного графика

Построив график (или воспользовавшись известным) можно определить коэффициент часовой неравномерности – это отношение максимальной ординаты к средней.

График потребления воды из горячего водопровода на технические нужды промышленных предприятий принимают в зависимости от режима забора ими воды из сети водопровода, диктуемого особенностями технологического процесса и сменностью его работы (количество смен в сутки).

Таким образом, при проектировании горячего водопровода должен быть составлен общий график водопотребления на хозяйственно-питьевые населения и на производственные нужды промышленных предприятий.

Требования к качеству воды для каждой категории водопотребления

Требования, предъявляемые к качеству хозяйственно-питьевой воде, диктуются заботой об охране здоровья трудящихся и регламентируются ГОСТ 2874-82.

К числу таких требований относят следующие:

1 Запах и привкус при температуре 20ºC не более 2 баллов.

2 Цветность по платиново – кобальтовой шкале не более 20.

3 Прозрачность по шрифту не менее 30 см (по кресту не менее 300 см).

4 Мутность - не более 2 мг/л.

5 Общая жесткость воды – не более 7 мг-экв/л.

В воде допускается содержание веществ в мг/л (не более):

1 свинца – 0,1;

2 мышьяка – 0,05;

3 фтора - 1,5;

4 меди - 3;

5 цинка – 5.

Общее число бактерий при посеве в 1 мл неразбавленной воды, определяемое числом колений после 24-часового выращивания при 37ºC , не более 100, а число кишечных палочек в 1л воды – не более 3 (коли - титр не менее 300). Содержание железа и марганца – не более 0,3 мг/л (при наличии сооружений для обезвреживания воды), активная реакция pH – не менее 6,5 и не более 9,5 (при осветлении и умягчении воды), при хлорировании воды должны отсутствовать хлорфенольные запахи.

Если вода в естественном состоянии не удовлетворяет некоторым из этих оптимальных требований, но является безвредной и пригодной для хозяйственно-питьевого водоснабжения, то ее можно использовать без устройства сооружений для обработки. Пригодность воды в этом случае устанавливается органами Государственного санитарного надзора.

Оптимальная температура хозяйственно-питьевой воды - 7-10ºC, предельно допустимая - 35ºC.

Согласно ГОСТ 2761-82 для питьевого водоснабжения должен быть выбран источник, в воде которого сухой остаток не превышает 1000 мг/л, причем содержание в воде сульфатов – не более 500 мг/л и хлоридов – не более 350 мг/л.

Требования, предъявляемые к качеству производственной воды разнообразны, т. к. зависят от вида производства и ее технологии. Основные требования, предъявляемые к качеству охлаждающей воды, заключаются в том, что вода должна иметь небольшую карбонатную жесткость и содержать как можно меньше взвешенных веществ.

Строгие требования предъявляются к качеству питательной воды для котельных установок. Жесткость питательной воды для водотрубных котлов с ат – не более 0,02 мг-экв/л, а для котлов сат – 0,01 мг-экв/л.

Для третьей категории (пожаротушение) может быть использована вода любого качества.