Надежность водозаборных сооружений
Нормативы надежности систем водоснабжения.
Системы водоснабжения являются одними из жизненно важных систем жизнеобеспечения городов и предприятий. Для них действующими нормами (СНиП 2.04.02-84 п.4.4) нормируется сокращение или прекращение оказания услуг по подаче воды. По этим параметрам системы водоснабжения разбиты на три категории (табл. 5.1).
Таблица 5.1. Нормативы качества функционирования систем водоснабжения.
| Наименование нормативов | Величины нормативов для категорий систем водоснабжения | ||
| I | II | III | |
| 1. Численность населения, соответствующая категории, чел. | более 50 тыс | 5-50 тыс | до 5 тыс |
| 2. Продолжительность 30%-го сокращения расчетной подачи воды, сут. | до 3 | до 10 | до 15 |
| 3. Продолжительность полного прекращения подачи воды или снижение подачи воды более чем на 30 % | до 10 мин | до 6 часов | до 24 часов |
Итак, для систем водоснабжения снижение расчетного уровня водопотребления на хозяйственно-питьевые нужды допускается не более чем на 30 %. Если снижение будет больше, то это означает отказ. Для водопотребления на промышленные нужды нормативы устанавливаются ведомственными техническими условиями или аварийным графиком работы предприятий.
Надежность водозаборных сооружений.
На надежность водозаборов влияют следующие факторы: время (продолжительность эксплуатации), метеорологические, гидрологические и гидрогеологические, биохимические и механические.
Фактор времени проявляется в старении сооружений и оборудования, цикличности изменения водопотребления в течении суток и по сезонам года.
Метеорологические факторы заключаются в изменении температуры воды и воздуха, появлении льда и шуги, изменений уровня и качества воды, перемерзании и пересыхании источников водоснабжения, наступления паводков и т.д. Действию этого вида факторов наиболее подвержены поверхностные водозаборы.
Гидрологические и гидрогеологические факторы характеризуют изменение расходов поверхностных и подземных вод, колебания качества воды, движение наносов и изменение свойств водоносных горизонтов.
К биохимическим факторам относятся фитопланктон, зоопланктон, рыб и животных.
К механическим факторам относятся судоходство, сплав леса, работу строительных механизмов, передвижения наносов и деформацию грунтов.
Надежность водозабора определяется надежностью (обеспеченностью) источника водоснабжения и надежностью сооружений и оборудования. Надежность источника зависит от обеспеченности расчетных расходов и уровней воды, эти параметры нормируются в зависимости от категории водозаборов п.5.80 СНиП 2.04.02-84. Категории водозаборов в общем соответствуют категориям систем водоснабжения.
Таблица 5.2. Нормативы обеспеченности условий и расходов воды
Показатели оценки надежности системы водоснабжения
Надежность системы водоснабжения характеризуется безотказностью — сохранением непрерывного состояния работоспособности в определенных условиях водообеспечения потребителей, ремонтопригодностью — приспособленностью системы водоснабжения к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей и отказов; долговечностью — продолжительностью сохранения состояния работоспособности с возможными перерывами на ремонт.
Рассчитать надежность противопожарного водоснабжения- это значит определить количественные показатели, характеризующие уровень качества бесперебойного водоснабжения потребителя системой. Для оценки надежности используют следующие показатели:
— вероятность безотказной работы (безотказного водоснабжения) за время τ — Rτ,
— интенсивность отказов λ,
— интенсивность восстановления μ (показатель не учтен ГОСТом),
— наработку на отказ Т (средняя продолжительность безотказного водоснабжения),
— среднюю продолжительность восстановления τв,
— параметр потока отказов ω,
а также коэффициенты готовности Kг, простоя Кп (показатель не учтен ГОСТом), технического использования Ки, неисправности p=λ/μ (показатель не учтен ГОСТом) и некоторые другие.
Таким образом, показатели надежности различны: одни из них характеризуют состояние системы в определенный момент времени (вероятности безотказной работы), другие- в интервале времени (среднее число отказов за ресурс), одни — размерные (наработка на отказ), другие — безразмерные (коэффициент готовности).
Задачи надежности в зависимости от поставленных целей бывают двух типов. Первый тип задач — определение количественных характеристик надежности на основе технических показателей элементов систем и функциональных связей между ними, а также требований потребителей к качеству бесперебойного водообеспечения. Задачи этого тина ставят при оценке надежности на различных этапах проектирования, при сравнительной оценке вариантов систем или проверке обеспечения требуемого уровня надежности.
Второй тип задач представляет собой анализ надежности, который проводят для установления количественных показателей, оценивающих влияние отдельных факторов на комплексный показатель надежности системы. Исходные данные для расчета включают помимо данных, используемых в решении задач первого типа данные о приоритете водообеспечения отдельных объектов и показатели ущерба из-за ненадежности системы. В результате решения этой задачи возможна проверка обеспечения требуемого уровня надежности или обоснование его экономической целесообразности, а также выявление возможности оптимизации системы с учетом ее развития или изменения уровня бесперебойного водообеспечения.
Надежность системы определяют не только показатели надежности входящих в нее элементов и схема их соединения, но и наличие резерва функционирования. Важным вопросом при решении задач надежности является правильность деления системы на элементы с точки зрения соответствия тем функциям, которые они должны выполнять. Надежность системы водоснабжения определяется надежностью входящих в нее элементов, схемой их соединения, наличием резервных элементов, качеством строительства и эксплуатации системы. Применение высококачественных материалов и оборудования, качественное строительство и соответствие характеристик построенных сооружений характеристикам проектной документации обеспечивают надежность на стадии строительства.
В процессе эксплуатации надежность достигается своевременным текущим контролем за работой системы, правильным уходом за оборудованием, своевременным обнаружением, ликвидацией неисправностей и т. д. Для этого используют оптимальные методы технического обслуживания и ремонта, разработанные на основе анализа и обработки данных о надежности изделий по результатам эксплуатации. В процессе эксплуатации выявляют также ошибки и просчеты, допущенные во время проектирования и реализации проекта.
При проектировании систем необходимо проверять показатели надежности, для определения которых важно сформулировать требования, выбрать параметры и установить нормы заданного уровня качества бесперебойного водообеспечения. Работоспособность — состояние системы, при котором она способна обеспечивать заданный уровень качества бесперебойного водоснабжения потребителей, установленный требованиями или критическими условиями водообеспечения расчетных моделей.
Требования СНиП не устанавливают показателей надежности и не используют понятия и характеристики (выходные параметры) систем, дающие возможность перейти на показатели надежности. В то же время косвенными характеристиками для определения показателей надежного водообеспечения потребителей служат: нормы водообеспечения, суммарная производительность водопитателя, требования к бесперебойности подачи воды по водоводам и водопроводным сетям, требования к дублированию источников энергоснабжения насосных агрегатов, резервирование элементов сооружений, срок службы системы и т. п.
Говоря о «надежности противопожарного водообеспечения», имеют в виду не какую-то абстрактную надежность, а надежность водоснабжения потребителей во время пожара. В результате можно дать следующее определение надежности системы водоснабжения, представляющей собой комплекс водопроводных сооружений — это способность (вероятность) обеспечения бесперебойной подачи требуемого количества воды потребителю (близкого к оптимальному) с заданным напором в течение заданного срока службы. Надежность следует понимать в двух аспектах: качественном — свойство системы, включающей сооружения и потребителей (характер водообеспечения), и количественном — мера суждения об определенном состоянии системы водоснабжения (характеристика этой меры — показатель надежности).
Под «заданными функциями» в общем случае понимают регламентированные требования потребителей к бесперебойности водообеспечения. Когда эти функции выполняются системой по отношению к конкретному потребителю i, считается, что система находится в работоспособном состоянии (состоянии работы) по отношению к i. Следует отметить, что службы эксплуатации не осуществляют строгого контроля за соблюдением норм отбора воды для тушения пожаров, на которые рассчитана система. В результате чрезмерного отбора воды на противопожарные нужды отмечаются нарушения водоснабжения других потребителей или разрушение водопроводных труб из-за недопустимого повышения давления при гидравлических ударах, возникающих в результате повышенной водоотдачи водопроводной сети во время работы пожарных автонасосов. Таким образом, система в одном и том же состоянии может быть работоспособной по отношению к потребителю i и неработоспособной по отношению к потребителю j (состояние отказа по отношению к потребителю j). Недостаточная надежность системы в этом случае приводит к ухудшению или нарушению нормального хозяйственно-питьевого водообеспечения, необходимого для естественного потребления воды и создания комфортных условий для населения. При рассмотрении вопросов надежности важным является понятие «состояние отказа», определяющего уровень качества бесперебойного водообеспечения и выход его за допустимый предел.
Надежность систем водоснабжения
1.12.1. Общие понятия
Под «надежностью» понимается свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.
Обеспечение надежности систем водоснабжения является одной из основных задач при их проектировании. Система водоснабжения должна быть запроектирована и построена так, чтобы она не только была способна выполнять свои функции, но и фактически в процессе эксплуатации обеспечивала в заданной степени их бесперебойное выполнение.
Пример 3.У системы водоснабжения может наступить механическое или электрическое повреждение – при этом она перестает выполнять свои функции. Эта система также считается неработоспособной, если, например, вышло за допустимые пределы количество подаваемой воды, снизилось давление в критических точках, качество воды ухудшилось.
Если по каким-то причинам нормальное функционирование системы нарушается и снижение качества обслуживания объекта превышает допустимые (предусмотренные нормами) пределы, то имеет место «отказ» системы.
Причинами отказов могут быть различные события: повреждение линий транспортирования воды (водопроводов, трубопроводов распределительной сети), повреждение насосов, прекращение подачи электроэнергии на насосные станции, недопустимое снижение уровня воды в источнике водоснабжения, загрязнения воды в водоеме и т.д. Некоторые из этих событий могут повлечь за собой даже полное (или временное) прекращение подачи воды снабжаемому объекту.
Так как большинство отказов водообеспечения вызывается различными случайными факторами, которые обычно заранее предвидеть невозможно, численная оценка надежности системы водоснабжения носит вероятностный характер и может быть получена в результате анализа и обработки статистических данных, накопленных в результате регистрации подобных событий. Математической основой надежности являются теория вероятностей и математическая статистика, позволяющие учесть случайные факторы.
Пример 4. Если представить участок водопроводной сети, состоящий из стальных труб, то на безотказную работу этих труб влияют следующие факторы: брак при их заводском изготовлении, качество их стыковки и прокладки, отсутствие блуждающих токов в этой зоне, свойства грунта, присутствие или отсутствие подземных вод, изменяющих свойства грунта, величины статических и динамических нагрузок на поверхности земли и многие другие факторы. Все они являются случайными и их совместное действие прогнозировать практически невозможно.
Очистные сооружения
Качество воды
Качество воды зависит от присутствия в ней веществ неорганического и органического происхождения и микроорганизмов. Эти вещества могут находиться в воде в растворённом и нерастворённом (различной дисперсности) состоянии.
Качество воды характеризуется её температурой, содержанием в ней взвешенных веществ (взвеси), её цветностью, запахом, привкусом, жёсткостью, содержанием отдельных химических элементов и соединений, активной реакцией, бактериальными загрязнениями.
Качество воды характеризуется ГОСТами.
Содержание в воде взвешенных веществ характеризует наличие в ней нерастворенных веществ (песок, земля и т.д.) и определяется путём фильтрования исследуемой воды через бумажный фильтр. Обычно их измеряют в миллиграммах сухого вещества в 1 л воды (мг/л).
Прозрачность воды определяется по шрифту в стеклянном цилиндре со шкалой.
Мутность воды определяется на специальных приборах – мутномерах. Мутность выражается в мг/л. Содержание взвешенных веществ различно в разных поверхностных источниках, в воде ряда рек средней полосы России оно сравнительно мало. Следует иметь в виду, что содержание взвешенных веществ в воде рек резко колеблется по сезонам года – оно минимально летом и зимой и максимально в период паводков. В питьевой воде количество взвешенных веществ не должно превышать 1,5 мг/л.
Цветность также является важной характеристикой воды. Она обусловливается присутствием в воде гумусовых веществ. Цветность измеряется в градусах по так называемой платино-кобальтовой шкале. Цветность питьевой воды не должна превышать 20 град.
Наличие в воде растворённых газов, минеральных солей, органических веществ и микроорганизмов может придавать ей запах и привкус.
Содержание в воде солей кальция и магния значительно ухудшает ее качество – образуется накипь на стенках котлов и кипятильников.
Наличие в воде катионов кальция и магния характеризуется жёсткостьюводы, измеряемой в миллиграмм-эквивалентах на 1л воды (мг-экв/л). Жёсткость вычисляется путём деления количества вещества в мг/л, обусловливающего жёсткость, на его эквивалентную массу.
Различают карбонатную жёсткость, обусловленную присутствием в воде двууглекислых и углекислых солей кальция и магния, и некарбонатную жёсткость, обусловленную наличием в воде других солей кальция и магния. Суммарную жёсткость называют общей жёсткостью.
Речная вода средней полосы России имеет общую жёсткость 0,4 – 4 мг-экв/л.
Вода подземных источников водоснабжения в большинстве случаев имеют более высокую жёсткость, чем поверхностных.
Жёсткость питьевой воды должна быть не более 7 мг-экв/л.
Общее количество минеральных и органических веществ, содержащихся в воде в растворённом или коллоидном состоянии, характеризуется сухим остатком. Он получается в результате выпаривания профильтрованной воды
и просушки остатка до постоянной массы. Сухой остаток характеризует общее солесодержание воды и для питьевой воды не должен превышать 1000 мг/л.
Химический состав воды характеризуется также активной реакцией — значением pH. Значение pH показывает степень кислотности или щелочности воды. При рН = 7 вода имеет нейтральную реакцию, при рН > 7 — щелочную, а при pH 3 воды.
Санитарную оценку качества воды проводят по содержанию в ней бактерий группы кишечной палочки (Coli) — типичного представителя кишечной микрофлоры. Кишечная палочка не является болезнетворной, но ее присутствие свидетельствует о загрязнении воды бытовыми стоками и возможности попадания в неё болезнетворных бактерий (брюшного тифа, дизентерии и др.). Поэтому при бактериологических анализах определяют коли-титр или коли-индекс.
Коли-титр – объём воды в см 3 , в котором содержится одна кишечная палочка.
Коли-индекс – количество кишечных палочек, содержащихся в 1 л воды. Для питьевой воды общее число бактерий не должно быть более 100 в 1 мл, коли-титр должен быть не менее 300 и коли-индекс— не более 3.
При использовании природных вод для водоснабжения часто необходимо иметь данные о содержании в них железа, марганца, фтора, кремниевой кислоты, растворенного кислорода, углекислого газа и ряда других соединений.
Схемы очистки воды
В процессе очистки вода проходит ряд очистных сооружений. Намечаемая совокупность сооружений составляет технологическую схему очистки воды.
На рис.2.1 показана схема глубокого осветления, обесцвечивания и обеззараживания воды путем коагулирования и последовательного осветления воды в отстойниках и на фильтрах. Природная вода насосами I подъема 1 подается в смеситель 3, куда одновременно поступают реагенты, приготовленные в реагентном цехе 2. После смешения с реагентами вода подается в камеру хлопьеобразования 4 (камеру реакции), где происходит физико-химический процесс агломерации взвешенных и коллоидных частиц в крупные хлопья. Затем вода поступает в отстойники 5, в которых движется с малой скоростью. При этом основная масса образовавшихся хлопьев отделяется от обрабатываемой воды и выпадает в осадок (на дно отстойников). Из отстойников воду подают на фильтры 6 для глубокого осветления путем пропуска её через толщу песчаной загрузки. В процессе очистки в толще фильтров накапливаются загрязнения. Для их удаления фильтры выключают из работы, промывают и затем вновь включают в работу. Осветлённую воду собирают в резервуарах чистой воды 7. Поскольку воду предназначают для хозяйственно-питьевых целей, то перед подачей в резервуары чистой воды её подвергают обеззараживанию, которое завершается в резервуарах чистой воды, где обеспечивается необходимый контакт воды с дезинфекторами (хлором и др.). Затем воду подают насосами II подъема 8 потребителям.
Рис.2.1. Схема осветления, обесцвечивания и обеззараживания воды с применением отстойников и фильтров
Технологическая схема, представленная на рис.2.2, имеет лишь одно сооружение для осветления воды – контактные осветлители (песчаные фильтры с движением воды снизу вверх). В них коагуляция взвешенных веществ и осветление воды происходят одновременно. Укрупнение частиц в хлопья происходит не в свободном объёме, а на поверхности зёрен фильтрующего материала под действием сил прилипания (контактная коагуляция). Общий объём очистных сооружений по этой схеме значительно меньше, чем по предыдущим. Эту схему можно применять при малом содержании в воде взвешенных веществ до 150 мг/л и цветности до 150 град.
Рис.2.2. Схема осветления, обесцвечивания и обеззараживания воды с применением контактных осветлителей
1– насосы I подъема; 2– реагентный цех; 3 – смеситель; 4 – контактный осветлитель;
5 – резервуар чистой воды; 6 — насосы II подъёма
Для улучшения процесса коагуляции, обесцвечивания и обеззараживания, а также для улучшения санитарного состояния сооружений применяют предварительное (первичное) хлорирование или озонирование – хлор или озон подаются в обрабатываемую воду до введения коагулянта.
Как правило, на очистных станциях применяют не менее двух сооружений каждого типа – этим обеспечивают непрерывность работы очистных станций при авариях и отключении из работы отдельных сооружений.
Взаимное высотное расположение сооружений предусматривают с таким расчётом, чтобы движение воды от сооружения к сооружению было самотечным.
Схемы, представленные на рис. 2.1 и 2.2, составлены с учетом этого требования.
Коагулирование воды
Коагулирование осуществляют для ускорения процесса осветления и обесцвечивания воды. При простом отстаивании значительная часть частиц мелкодисперсных взвесей и коллоидных частиц вообще не оседает на дно. При коагулировании эти частицы укрупняются в хлопья и осаждаются в осадок. Для этого в воду вводят коагулянты. Наиболее часто в качестве коагулянта используют сернокислый алюминий Al2(S04)3.
При введении в воду раствора Al2(S04)3 происходит его гидролиз с образованием основания и кислоты:
Образующиеся частицы гидроокиси алюминия практически лишены заряда (при рН=5÷7 ,5) и поэтому коагулируют (слипаются). Одновременно происходит слипание частиц гидроокиси со взвешенными частицами мелкодисперсных нерастворимых взвесей и колллоидными частицами, а также слипание коллоидных частиц между собой. Таким образом, укрупнение частиц происходит с помощью гидроокиси, соединяющей разнородные частицы в единые хлопья.
При коагулировании происходит и обесцвечивание воды вследствие сорбции (притягивания) хлопьями коллоидных частиц, обусловливающих цветность воды.
Дозу коагулянта для обработки различных вод устанавливают пробным
коагулированием в лабораторных условиях. Обычно она составляет 25 – 100 мг/л. С увеличением содержания взвесей и цветности воды доза коагулянта возрастает. С увеличением температуры воды процесс коагуляции протекает более интенсивно.
Для интенсификации процессов хлопьеобразования применяют флокулянты, к числу которых прежде всего относится полиакриламид (ПАА).
Обязательным условием полного завершения коагуляции и образования хлопьев является столкновение частиц, которое достигается путём перемешивания воды.
