Гигиенические требования к устройству и эксплуатации головных сооружений водопровода из подземных источников водоснабжения

Водозабор подземных вод состоит из водоприемных сооружений, водоподъемных устройств в пределах отдельных водозаборов или центральной насосной станции I подъема и трубопроводов, которые соединяют водоприемные сооружения с насосной станцией, водоводами или резервуаром чистой воды (сборным резервуаром).

Водозабор из межпластовых подземных источников осуществляют посредством артезианских, или буровых скважин. Любая скважина нарушает изоляцию между водовмещающим горизонтом и поверхностью земли и создает потенциальные условия для проникновения загрязнений в межпластовый источник. Из-за неправильного устройства скважины может возникнуть гидравлическая связь между эксплуатируемым водоносным слоем и расположенными выше водовмещающими горизонтами (грунтовыми водами, верховодкой), вода которых может быть эпидемически опасной и хуже по органолептичес-ким свойствам. Поэтому конструкция скважины имеет большое значение для сохранения качества межпластовой воды, предотвращения загрязнения водоносного слоя, обеспечения санитарной надежности водозабора.

Для оборудования артезианской скважины в толще земли до межпласто-врго горизонта бурят цилиндрическую вертикальную шахту диаметром от 50 до 600 мм, глубиной от 50—100 до 1500 м и более. Для защиты от обвалов и изоляции от водоносных горизонтов, расположенных выше, стенки шахты закрепляют колонной металлических труб (как правило, стальных) длиной от 4—6 до 8—13 м, которые называются обсадными. Стыки между трубами герметизируют.

В зависимости от характера почвы при ударном способе бурения трубами одного диаметра можно углубиться на 30—50 м, при роторном — на 400—500 м. При большей глубине залегания водоносного горизонта достичь его колонной труб одного диаметра невозможно вследствие трения между стенками труб и породой, что создает сопротивление дальнейшему бурению. Поэтому, продвигаясь вглубь, переходят на трубы меньшего диаметра. Их вначале опускают в средину уже установленных обсадных труб, а потом продолжают бурить. По завершении бурения лишние части обсадных труб вырезают и удаляют. Колонна приобретает телескопический вид. Для предупреждения загрязнения пространство, которое образуется между трубами (межтрубное пространство), заливают цементным раствором. Первую колонну обсадных труб, называемую кондуктором, используют для защиты устьевой части скважины от размыва и обрушения. Для предупреждения загрязнения пространство, которое образуется между кондуктором и грунтовыми стенками шахты (затрубное пространство), цементируют под давлением с выдавливанием цементного раствора от "башмака " обсадной трубы до поверхности земли. Вследствие этого вокруг кондуктора создается "цементный стакан ".

Иногда для повышения надежности скважины вторую колонну обсадных труб не вырезают, а пространство между ней и кондуктором заполняют цементным раствором на всю высоту.

Колонна обсадных труб достигает верхнего уровня водоносного горизонта. Далее в эту колонну опускают колонну труб меньшего диаметра, которой проходят весь водоносный горизонт и которую вдавливают (фрезеруют) в нижний водоупорный слой. По внутренней колонне труб посредством штанг опускают фильтр, через который в скважину будет поступать вода. Фильтр представляет собой трубу с перфорированной частью, которую для защиты скважины от проникновения частиц водовмещающей породы оборачивают металлической сеткой. Фильтр располагают так, чтобы его перфорированная часть находилась в толще водоносного горизонта. Нижний, глухой, конец фильтра вдавливают в водонепроницаемый слой. После установки фильтра внутреннюю колонну труб удаляют, пространство между фильтром и обсадной трубой герметизируют.

Схема водозаборной (артезианской) скважины приведена на рис. 6. В скважине выделяют три основные части: водоприемную — фильтр, водопроводя-щую — ствол и верхнюю — устье. С целью предупреждения замерзания и для защиты от атмосферных осадков устье скважины оборудуют специальной подземной шахтой или наземным павильоном. Верхнюю колонну обсадных труб (кондуктор) выводят не менее чем на 0,5 м над поверхностью земли или дном шахты, а вокруг делают асфальтовую или бетонную отмостку с наклоном от скважины. Чтобы загрязнения не проникали через устье скважины, его герметично соединяют с оголовком с помощью фланцев с резиновыми прокладками. Также необходимо обеспечить герметичность в месте вхождения всасывающей трубы насоса или другого водоподъемного сооружения. Оголовок должен быть доступен для осмотра и иметь кран для отбора проб воды из артезианской скважины, то есть непосредственно из подземного источника. При размещении скважины в шахте последняя должна быть защищена от попадания в нее грунтовых вод путем гидроизоляции бетонированием или цементированием дна и стенок, а также от атмосферных осадков за счет герметичных сдвоенных крышек на люках.

Если источником являются межпластовые напорные (артезианские) воды, то иногда давления в водоносном горизонте достаточно для подъема воды на поверхность земли. Но чаще всего вода не достигает поверхности и находится в скважине на определенном уровне, называемом статическим. Отсюда воду откачивают насосами. При откачивании воды в водовмещающей породе вокруг скважины образуется зона пониженного давления, то есть зона депрессии. Давление снижается, так как вода, продвигаясь в водоносном горизонте, испытывает сопротивление со стороны породы водоносного горизонта, и часть напора тратится на преодоление этого сопротивления. Чем быстрее откачивают воду, тем быстрее снижается давление. При этом наиболее низким является давление в зоне, расположенной ближе к скважине. Вследствие откачивания уровень воды в скважине снижается относительно статического до тех пор, пока скорость откачивания не уравновесится с поступлением воды через фильтр, расположенный в водоносном горизонте. Наконец при постоянной скорости откачивания вода в скважине устанавливается на так называемом динамическом уровне. Чем быстрее откачивают воду, тем ниже относительно статического уровень динамический и больше площадь воронки депрессии.

После завершения бурения скважины для промывания ее от частичек ила и грязи проводят строительное откачивание продолжительностью от нескольких суток до месяца и более. При необходимости можно провести дезинфекцию. Сначала дезинфицируют надводную часть скважины, а потом — подводную. Для обеззараживания надводной части в скважине на несколько метров ниже статического уровня устанавливают пневматическую пробку. Часть скважины выше пробки заполняют раствором хлора (или хлорной извести) с концентрацией активного хлора 50—100 мг/л. Через 3—6 ч пробку вынимают и с помощью специального смесителя вводят раствор хлора в подводную часть скважины с таким расчетом, чтобы концентрация активного хлора после перемешивания с водой была не ниже 50 мг/л. Через 3—6 ч контакта воду из скважины откачивают, после чего отбирают пробу воды для контроля эффективности обеззараживания по микробиологическим показателям.

На водопроводе, кроме рабочих скважин, продуктивность которых должна обеспечивать суточное водопотребление в населенном пункте, в обязательном порядке необходимо предусмотреть и резервные. Минимальное количество скважин на водопроводе — 2, одна из которых рабочая, вторая — резервная. Если рабочих скважин от 2 до 10, то необходимо предусмотреть 2 резервные скважины. Если же рабочих скважин более 11, то резервных должно быть 20%.

Водоподъемные сооружения. Способ подъема воды из скважины зависит от уровня воды и дебита скважины. Чаще всего для этого используют центробежные насосы. Они состоят из электродвигателя, нескольких камер с лопастными колесами, закрепленными на вращающемся валу, всасывающей и напорной труб. Продуктивность такого насоса достигает 200 м3/ч.

Перед вводом водопроводного насоса в эксплуатацию камеры с лопастными колесами необходимо залить водой, которая должна отвечать действующему стандарту на питьевую воду. Вал, на котором закреплены лопастные колеса, электродвигатель приводит в быстрое вращательное движение. Возникают центробежные силы, которые отталкивают воду, заполняющую камеры, к периферии спирального кожуха и далее — в напорную трубу. При этом в центре камеры перед входом всасывающей трубы создается пониженное давление и под действием атмосферного давления вода из скважины поступает из всасывающего трубопровода в насос.

При динамическом уровне до 7 м от поверхности земли применяют центробежные насосы на горизонтальном валу. Если динамичный уровень воды размещен на глубине до 120 м, используют центробежные насосы на вертикальном валу, электродвигатель которых установлен над скважиной, а всасывающая труба опущена в воду ниже динамического уровня. Для подъема воды из глубоких скважин до 500 м широко применяют погружные центробежные насосы на вертикальном валу, электродвигатель которых размещен в скважине под динамическим уровнем воды. Во всех случаях должна быть обеспечена герметичность оголовка скважины в участке вхождения всасывающей или напорной водоподъемной трубы.

Если глубина скважины составляет менее 100 м, можно использовать штанговые насосы — разновидность поршневых или объемных насосов с длинным приводом продуктивностью до 20 м3/ч. Насос состоит из камеры, в которой расположен поршень, соединенный со штангой. Электродвигатель, расположенный на поверхности земли, приводит штангу в движение, чем обеспечивает движение поршня в камере. К камере присоединены всасывающая и напорная трубы с клапанами. Когда поршень движется вверх, открывается всасывающий клапан и закрывается напорный. Камера наполняется водой. Когда поршень движется вниз, всасывающий клапан закрывается, напорный открывается и вода из камеры выталкивается в напорную трубу. Недостатком этих насосов является невысокая надежность: часто обрываются штанги, нужно менять кожаные манжеты, обеспечивающие тесный контакт поршня со стенками камеры, что повышает риск загрязнения.

Если глубина скважины не превышает 70 м, могут быть использованы эрлифты, или воздушные водоподъемники. Эрлифт состоит из водоподъемной трубы, в нижнюю часть которой введена воздушная труба с форсункой. Обе трубы опускают в скважину и погружают в воду так, чтобы погруженная часть была вдвое длиннее, чем непогруженная, которая выходит на поверхность земли. На поверхности воздушная труба присоединена к компрессору с ресивером, а водоподъемная — к отделителю воздуха, который трубой соединен с резервуаром чистой воды. Воздух, очищенный от пыли на масляном фильтре, компрессором через ресивер и отделитель масла подается в воздушную трубу и через форсунку поступает в водоподъемную трубу. Водовоздушная смесь водоподъемной трубой поднимается на поверхность и попадает в отделитель воздуха, после чего вода поступает в резервуары чистой воды. Положительными характеристиками эрлифта являются простота и надежность конструкции, легкость эксплуатации, возможность бесперебойной работы в течение длительного времени.

Резервуары чистой воды (РЧВ). Если забор производят из межпласто-вых источников I класса, вода которых не требует обработки, насосы подают воду по напорным трубопроводам в сборные резервуары — РЧВ. Запас воды, который собирается в РЧВ, необходим для компенсации возможного несоответствия между подачей воды и ее потреблением в определенное время суток. Для бесперебойной работы водопровода нужно предусмотреть резервное оборудование, как минимум, 2 РЧВ.

РЧВ — прямоугольные водонепроницаемые резервуары из стали или железобетона, расположенные под землей (рис. 7). Дно РЧВ должно быть выше уровня залегания грунтовых вод. Иногда для надежности вокруг РЧВ создают глиняный замок, а над РЧВ делают куполообразную насыпь из грунта и дерна. Труба, подающая воду в верхнюю часть РЧВ, должна быть загнутой на конце, чтобы не размывать перекрытие РЧВ. С противоположной стороны устанавливают (сверху вниз): переливную трубу (постоянно открыта на случай переполнения РЧВ, имеется обратный клапан); трубу, которая подает воду для хозяйственно-питьевых нужд (соединена со всасывающей трубой насоса II подъема, постоянно открыта); трубу, которая подает воду для гашения пожаров (постоянно открыта) и грязевую трубу (расположена в приямке, постоянно закрыта). Рядом с РЧВ расположен переливной колодец со всеми подающими трубами, на которых в пределах переливного колодца устанавливают регулировочные краны. Для обмена воздуха РЧВ оборудуют вентиляционными стояками, поднятыми над уровнем земли на 1,5—2 м. Конец каждого стояка закрывают металлической сеткой с колпачком. В перекрытии РЧВ располагают 2 люка, которые плотно закрывают металлическими крышками, замком и пломбируют. Вокруг люков делают цементные отмостки.

РЧВ нуждаются в периодической ( 1—2 раза в год) очистке и дезинфекции. В первую очередь РЧВ освобождают от воды. Для этого прекращают подачу воды в РЧВ, перекрывают трубы, подающие воду для хозяйственно-питьевых нужд и гашения пожаров, и открывают грязевую трубу, через которую спускают с РЧВ воду. Потом через люки внутрь РЧВ спускается рабочий, очищает и при необходимости ремонтирует его, смывает грязь в грязевой приямок, откуда она отводится грязевой трубой. После этого проводят дезинфекцию методом орошения. Рабочий, обеспеченный средствами индивидуальной защиты кожи, глаз и органов дыхания, из гидропульта обильно орошает стены, дно и перекрытие РЧВ раствором хлорной извести (или кальция гипохлорита) с концентрацией активного хлора 200—250 мг/л. После этого закрывают и пломбируют люки, закрывают грязевую трубу и выжидают 2 ч. Затем заполняют РЧВ чистой водой, промывают, выпуская воду через переливную трубу, отбирают пробы для определения остаточного свободного хлора и бактериологического исследования. При удовлетворительных анализах разрешают эксплуатацию РЧВ.

Из РЧВ вода поступает в водопроводную сеть под давлением 2—4 атм, которое создают насосы насосных станций II подъема.