Водонапорные сооружения систем водоснабжения

В системе водоснабжения применяются напорно-регулирующие сооружения, предназначенные для создания необходимого напора в разводящей магистрали, регулировки подачи воды в сеть и создания запаса воды на время отклонения насосной станции.

На практике применяют два типа напорно-регулирующих сооружений: водонапорную башню и пневматический котел (безбашенное сооружение). В первом случае наружный напор создается за счет поднятия водонапорного бака на необходимую высоту; во втором – за счет давления сжатого воздуха, заполняющего пространство выше уровня воды в герметически закрытом котле.

Сборно-блочные башни конструкции инженера А. А. Рожновского получили на фермах наибольшее распространение. Башни монтируют на месте из отдельных металлических блоков, изготовленных на заводах. Нижняя часть башни, утепленная земляной обсыпкой, целиком заполняется водой. Этот запас воды удваивает резервную вместимость башни.

Неутепленную башню применяют там, где температура воды подземных источников не ниже 4° С и обмен воды в башне происходит не реже одного раза в сутки.

При интенсивной циркуляции вода в башне не замерзает даже при значительном снижении температуры.

Для автоматизации управления к водонапорным башням выпускают аппаратуру, которая поддерживает постоянный запас воды и повышает надежность работы оборудования насосных станций. Сборно-блочная конструкция башни позволяет намного сократить сроки монтажа сооружения и снизить стоимость строительства.

Безбашенные напорно-регулирующие сооружения предназначены для автоматизации водоснабжения животноводческих ферм и других объектов.

На фермах широко распространены безбашенные автоматические водоподъемные установки типа ВУ, например, установка ВУ5-30. Вихревым насосом вода подается в воздушно-водяной бак, из которого через водоразборную магистраль поступает к потребителям. Излишки воды накапливаются в баке, сжимая в нем воздух. Как только давление в баке достигнет расчетного реле давления ( в нормальном положении контакты реле давления постоянно замкнуты) разомкнет электрическую цепь магнитного пускателя, электродвигатель насоса остановится и вода потребителям будет подаваться под действием сжатого в баке воздуха. При уменьшении давления до определенного значения контакты реле замкнутся и в работу включится насос, который снова начнет подавать воду в бак.

Во время работы установки объем воздушной подушки в баке вследствие неплотности соединений растворения воздуха в воде уменьшается. Это приводит к увеличению частоты включения установки и ускоряет износ электродвигателя и насоса. Для автоматического заполнения бака воздухом служит струйный регулятор запаха.

Установки просты по конструкции, гигиеничны и удобны в эксплуатации, не требуют постоянного обслуживания. Благодаря применению установок ВУ сокращается расход труб, исключается строительство дорогостоящих металлоемких водонапорных башен, себестоимость подачи 1 м воды снижается в 1,5…2 раза.

Для хранения запасов воды иногда используют безнапорные резервуары, из которых вода может подаваться в водопроводную сеть насосами.

Вместимость баков водонапорных башен и резервуаров выбирают в зависимости от суточного расхода воды, характера расходования ее по часам суток и работы насосной станции. Характер расходования воды по часам суток может быть установлен в результате подсчетов значений коэффициентов часовой неравномерности для каждого потребителя с учетом принятого на ферме распорядка дня.

Регулирующая вместимость бака или резервуара зависит от продолжительности работы насосной станции. Расчетами и практикой определено, что бак или резервуар минимальной вместимости может быть выбран в том случае, если насосная станция работает в сутки не менее 16…19 часов.

Системы водоснабжения

Для обеспечения городов и промышленных предпри­ятий водой строят системы водоснабжения – комплекс инженерных сооружений, а также мероприятий, обеспе­чивающих получение воды из природных источников, ее очистку, транспортирование и подачу потребителям.

Система водоснабжения города или промышленного предприятия состоит из следующих основных элементов:

водоподъемных сооружений, т. е. насосных станций, подающих воду к очистным сооружениям (насосные станции I подъема) или потребителям (насосные стан­ции II подъема);

башен и резервуаров, накапливающих запасы воды или регулирующих напоры и расходы;

водоводов и сети трубопроводов, предназначенных для транспортирования воды от сооружения к сооруже­нию или к потребителям.

Источниками водоснабжения могут служить поверх­ностные водоемы (реки, озера, моря) и подземные воды (скважины, колодцы). Выбор места забора воды и ме­стоположения водоприемного сооружения и насосной станции I подъема определяется санитарными соображе­ниями – стремлением получить из источника наиболее чистую воду. Например, при заборе воды из рек это до­стигается расположением водоприемного сооружения выше по течению реки относительно объекта водоснаб­жения, т.е. выше мест возможного загрязнения воды во­доема. Для обеспечения промышленных предприятий водой предусматривают повторное и многократное ис­пользование ее по схеме оборотного водоснабжения, при которой отработанные (сточные) воды после соответст­вующей очистки вновь возвращаются на производство.

На рис. 3,1 показана схема водоснабжения города с поверхностным источником, из которого вода забирается водоприемным сооружением и подается насосами насосной станции I подъема на очистные сооружения. После очистки и обеззараживания вода собирается в резервуарах чистой воды. Затем насосами станции II подъема вода подается по водоводам в сеть трубопроводов, разводящую воду потребителям.

Рис. 3.1. Схема водоснабжения:

1 – водоприемные сооружения; 2 – насосная станция первого подъема; 3 – очистные сооружения; 4 – резервуар чистой воды; 5 – насосная станция; 6 — водоводы; 7 – водонапорная башня; 8 – магистральная водопроводная сеть.

Водозаборные сооружения должны обеспечивать бес­перебойное снабжение потребителей водой хорошего ка­чества в течение всего года. Для хозяйственно-питьевого водоснабжения наиболее пригодны подземные воды, так как они обладают сравнительно высоким качеством и часто не нуждаются в очистке. Для промышленных целей преимущественно используют поверхностные ис­точники водоснабжения. При этом для водоснабжения некоторых производств, не нуждающихся в высоком ка­честве воды, ее подвергают только простейшей очистке либо вообще не очищают.

Тип и конструкция сооружения для приема подзем­ных вод зависят в основном от глубины их залегания и мощности водоносного горизонта. К этим сооружениям относятся трубчатые и шахтные колодцы, горизонталь­ные водозаборы.

Трубчатые колодцы устраивают путем бурения в земле скважин, стенки которых крепят обсадны­ми стальными трубами. По мере заглубления колодца диаметр обсадных труб уменьшают, в результате чего колодец приобретает телескопическую форму

Шахтные колодцы можно выполнять из бето­на, железобетона, кирпича, камня и дерева. Чаще всего шахтные колодцы строят опускным способом.

Горизонтальные водозаборы устраивают для приема грунтовых вод, залегающих на небольшой глубине (до 8 м). Такие водозаборы выполняют из гори­зонтальных железобетонных, бетонных или керамичес­ких труб с круглыми или щелевыми отверстиями. Для осмотра и очистки горизонтальных водозаборов через каждые 50. 150 мм по их длине устраивают смотровые колодцы.

Конструкции сооружений для приема воды из по­верхностных источников зависят от целого ряда факто­ров (глубина источника, ледовый режим, характер рус­ла и берегов рек, наличие волнений на поверхности мо­рей, скорости течения и т. д.).

Насосные станции – один из важнейших элементов систем водоснабжения. С помощью насосов и связанных с ними всасывающих труб и напорных водоводов насос­ные станции обеспечивают транспортирование воды от сооружения к сооружению и потребителям.

По расположению в схеме водоснабжения и назначе­нию насосные станции разделяются на станции I и II подъема, повысительные и циркуляционные. Насос­ные станции I подъема подают воду из источ­ника водоснабжения на очистные сооружения, или, если не требуется очистки воды, непосредственно в распределительную сеть, водонапорные башни и дру­гие сооружения. Насосные станции II подъема служат для подачи воды от резервуаров чистой воды, расположенных после очистных сооружений, в распреде­лительную сеть и водонапорные башни. Повыситель­ные насосные станции предназначены для по­вышения напора водопроводной сети. Циркуляцион­ные насосные станции устраивают в промыш­ленных системах оборотного водоснабжения для подачи отработанной воды на очистные и охлаждающие устрой­ства и возврата этой воды на предприятие

Насосы и другое оборудование насосных станций размещаются в зданиях насосных станций. Подземные части этих зданий выполняют из бетона и железобетона, надземные части – павильоны – из кирпича. В послед­нее время для строительства насосных станций широко используются сборные железобетонные элементы. За­глубленные насосные станции допускается сооружать без надземного павильона.

Очистные сооружения предназначены для очистки воды от вредных примесей и доведения ее качества до показателей, определенных соответствующими ГОСТа­ми. Качество воды зависит от наличия в ней различных веществ неорганического и органического происхожде­ния (в том числе и микроорганизмов). Эти вещества мо­гут находиться в воде в растворенном и нерастворенном виде. Кроме того, качество воды характеризуется ее тем­пературой, цветностью, запахом, привкусом, жесткостью, содержанием отдельных химических элементов и соеди­нений, активной реакцией, бактериальными загрязнениями и другими показателями.

При очистке природной воды, используемой для хо­зяйственно-питьевых и производственных целей, широко применяют осветление, обесцвечивание и ее обеззаражи­вание (дезинфекцию). При осветлении и обесцвечива­нии из воды удаляют взвешенные вещества, а при обез­зараживании уничтожают бактерии. Воду обеззаражи­вают хлорированием, ультрафиолетовыми лучами и т. д.

Для некоторых производств требуется вода невысо­кой прозрачности. В этом случае от крупных взвешенных частиц избавляются процеживанием воды через решет­ки и сетки, устанавливаемые в водозаборных сооружени­ях. Более мелкие взвешенные вещества удаляются меха­ническим отстаиванием воды в отстойниках или отстой­никах с предварительным коагулированием.

Более эффективно происходит осветление воды при коагулировании и пропуске ее через взвешенный слой хлопьев, ранее отделенных от воды. Сооружение, в ко­тором происходит очистка воды этим способом, называ­ется осветлителем.

Для глубокого осветления обычно применяют фильт­рование воды через песчаные фильтры.

Для снижения жесткости (умягчения), обессоливания и дегазации воды служат химические и физико-химичес­кие методы обработки воды.

В качестве коагулянтов применяют серно-кислый алюминий, хлорное железо и др. Для умягчения и обессоливания воды используют различные реагенты (из­весть, соду, серную кислоту, едкий натр и т.д.).

Для обеспечения требуемого качества воды, подавае­мой потребителю, обычно применяют несколько способов ее очистки, а в некоторых случаях – несколько ступеней одного и того же способа очистки. Намечаемая совокупность способов очистки составляет технологическую схему очистки воды.

На рис. 3.2 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 2, куда одновременно поступают реагенты, приготовленные в реагентном цехе 3. 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 ее через толщу песчаной загрузки. В процессе очистки в толще фильтров накапливаются загрязнения. Для их удаления фильтры выключают из работы, промывают и затем снова включают в работу. Осветленную воду собирают в резервуарах чистой воды 7. Поскольку воду предназначают для хозяйственно-питьевых целей, то перед подачей в резервуар чистой воды ее 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. 3.2. Схема осветления, обесцвечивания и обеззараживания воды с применением отстойников и фильтров.

Помимо описанной существуют и другие схемы глу­бокого осветления, обесцвечивания и обеззараживания воды. Выбор той или иной схемы производится на осно­ве технико-экономического сравнения вариантов.

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 при эксплуатации.

Водонапорные башни предназначены для регулиро­вания подачи и потребления воды в системе водоснабже­ния, обеспечения заданного напора в водопроводной се­ти, создания и хранения необходимого запаса воды для тушения пожара в первые минуты после его возникно­вения.

Водонапорная башня состоит из водонапорного бака, ствола (поддерживающей конструкции) и отепляющего шатра вокруг бака.

Для осмотра бака снаружи и внутри его устанавли­ваются лестницы.

Водонапорные башни могут быть железобетонными, кирпичными, металлическими и деревянными. Конструк­ции железобетонных башен выполняются двух типов: на вертикальных опорных колоннах и со стволом в виде сплошного железобетонного цилиндрического стакана. Баки в железобетонных водонапорных башнях устраива­ют также железобетонными с вогнутым сферическим или конически-сферическим днищем.

В кирпичных водонапорных башнях ствол выполня­ют из кирпича в виде цилиндра или многогранника, а баки с выпуклым сферическим или плоским днищем – из стали.

Применение металлических водонапорных башен обеспечивает высокую степень индустриальности строи­тельства.

Водопроводные сети. Вода от источников к объектам водоснабжения транспортируется по водоводам. Их вы­полняют из двух или более ниток трубопроводов, укладываемых параллельно друг другу. Для подачи воды непосредственно к местам ее потребления (жилым здани­ям, цехам промышленных предприятий) служит водопроводная сеть.

По конфигурации в плане различают водопроводные сети разветвленные или тупиковые, а также кольцевые или замкнутые. Разветвленные водопроводные сети применяют для небольших объектов водоснабжения, до­пускающих перерывы в снабжении водой, а также при сосредоточенном потреблении воды в отдаленных друг от друга точках сети. Кольцевые водопроводные сети прокладывают при необходимости бесперебойного водо­снабжения, что гарантируется в данном случае возмож­ностью двустороннего питания водой любого потреби­теля.

В городских и производственных водопроводах, как правило, применяют кольцевые сети. В противопожар­ных водопроводах устройство кольцевой сети обяза­тельно.

В водопроводной сети различают магистральные (главные) и распределительные (второстепенные) ли­нии. Располагаются водопроводные линии по проездам или обочинам дорог по возможности вне асфальтовых или бетонных покрытий, как правило, параллельно гра­ницам застройки и поверхности земли.

Для устройства наружного водопровода применяют трубы чугунные, стальные, асбестоцементные, железобе­тонные, пластмассовые и др.

Чугунные раструбные трубы изготовляют диаметром 50. 1200 мм и длиной 2…7 м. Внешнюю и внутреннюю поверхность труб покрывают на заводе нефтяным биту­мом, что предохраняет их от коррозии.

Чугунные трубы обладают очень важным достоинст­вом – долговечностью, которая обусловлена значитель­ной толщиной их стенок. К недостаткам следует отнести большой расход металла (в 1,5 раза больше, чем для стальных труб), малую сопротивляемость ударным на­грузкам и ограниченность рабочего давления (не более 1 МПа).

Стальные трубы применяют для устройства водово­дов и водопроводных сетей, в которых внутреннее давле­ние превышает 1,2 МПа, при укладке труб в макропори­стых грунтах и в сейсмических районах, а также для устройства переходов под железными и автомобильными дорогами, на эстакадах, т.е. в условиях, где необхо­дима хорошая сопротивляемость динамическим нагруз­кам и изгибающим усилиям. По сравнению с чугунными стальные трубы обладают значительно большей прочно­стью, эластичностью, меньшей массой и более простым соединением, которое, как правило, осуществляется сваркой.

Недостатком стальных труб является то, что они в большей степени подвержены коррозии и поэтому тре­буют специальной защиты. Срок их службы меньше, чем чугунных труб.

Стальные трубы выпускаются диаметром 15. 1600 мм. Толщина их стенок изменяется в широких пре­делах, что обеспечивает возможность применения труб для работы на разном давлении и в различных условиях.

Металлические (чугунные и стальные) трубы, уло­женные в земле, подвергаются коррозии. Для изоляции труб применяют нефтяной битум. Добавка к нему из­мельченных наполнителей (каолина, цемента, асбеста) повышает прочность изолирующего покрытия. Для уси­ления изоляции применяют обертку трубопровода гидроизолом или бризолом. Применяют также и пластмассо­вые изолирующие покрытия.

Для предохранения внутренних поверхностей труб от коррозии можно применять различные виды покрытий и специальную обработку воды, после которой она те­ряет коррозионные свойства.

Асбестоцементные трубы изготавливают на заводах из смеси 75. 80% портландцемента и 20. 25% асбесто­вого волокна. Они имеют диаметр 100. 500 мм. При не­обходимости заводы могут изготовлять трубы и больших диаметров (600. 1000 мм). Используют их при давлении до 1,2 МПа.

Асбестоцементные трубы обладают следующими до­стоинствами: гладкостью стенок, малой теплопроводно­стью, стойкостью в отношении коррозии, небольшой мас­сой и невысокой стоимостью. К их недостаткам относят­ся малая сопротивляемость ударам и динамическим нагрузкам, а также сложность и высокая стоимость стыковых соединений.

Железобетонные трубы изготовляют методами виб­ропрессования и центрифугирования с предварительным напряжением арматуры. Достоинствами этих труб явля­ются малый расход металла, долговечность и гладкость внутренних поверхностей; недостаток – их большая масса. Железобетонные напорные трубы могут приме­ряться для устройства водопровода, если транспортиру­емая и грунтовая вода не агрессивна по отношению к бетону.

Для нормальной эксплуатации на водопроводных се­тях устанавливают следующую арматуру: запорно-регулирующую (задвижки, дисковые поворотные затворы), предохранительную (предохранительные клапаны) и во­дозаборную (водозаборные колонки, краны, пожарные гидранты).

В местах установки фасонных частей и арматуры с фланцевыми соединениями устраивают смотровые ко­лодцы или камеры. Колодец состоит из рабочей камеры и горловины над ней, которая служит для спуска в ра­бочую камеру. На горловину колодцев устанавливают чугунные или стальные люки с крышками. Для спуска в колодец в нем устанавливают чугунные или стальные скобы или металлические лестницы.

Глубина заложения водопроводных труб зависит от глубины промерзания грунта, температуры воды в тру­бах и режима ее подачи. Глубина заложения труб, счи­тая до их нижней образующей, должна быть на 0,5 м больше расчетной глубины промерзания грунта. Ориен­тировочно ее можно принимать: для северных районов – 3. 3.5м; в средней полосе – 2,5. 3м; в южных райо­нах – 1. 1,5м.

Минимальную глубину заложения труб определяют из условия защиты их от воздействия внешних нагрузок и предохранения воды от нагревания в летнее время. Ориентировочно ее можно принять равной 0,5 м до вер­ха труб.