Вода, методы очистки воды

Влияние производственных сточных вод на состав городских  стоков значительно сокращается  по мере введения в действие локальных очистных сооружений.

Один из наиболее распространенных способов доочистки биохимически очищенных  сточных вод – метод фильтрования, что позволяет получить фильтрат с содержанием взвешенных веществ  не более 3 мг/л.

Перспективным способом доочистки сточных вод от органических веществ является озонирование, позволяющее одновременно со снижением концентрации органических веществ обеззараживать воду от содержащихся в ней бактерий, вирусов, уничтожить запахи и окраску.При малых дозах окисляются вещества с высокой молекулярной массой и выраженной токсичносью. Общее разрушение органического вещества в этом случае не превышает 35%. При больших дозах озона интенсивно образуются продукты деструкции, при которых величина ХПК и содержание органического углерода в сточной воде практически не меняются. Процесс разрушения органического вещества начинаются при 1,5-1,6 мг О₃ на 1 мг содержания органического углерода.

Для достижения требуемых санитарно-гигиенических  требований к воде, используемой в  закрытых системах, применяют фильтрование и обеззараживание хлором. При повышенном содержании трудноокисляемых веществ в воде эту схему дополняют контактной коагуляцией. Когда в открытых системах промышленного водоснабжения используется часть очищенных вод на станции аэрации, включающей доочистку фильтрованием и хлорирование, на предприятии предусматривают доочистку озонированием. Кроме перечисленных схем, для промышленного водоснабжения применяют сооружения физико-химической очистки (флотаторы, сорберы, ионообменные и ультрафильтрационные аппараты), которые также позволяют защитить системы от карбонатных отложений, коррозии и биообрастаний.

Основу любой технологической  схемы водоподготовки составляет фильтр. В зависимости от использования  в нем той или иной фильтрующей среды, фильтры можно разделить на следующие классы:

         2.Классификация фильтров

Фильтры обезжелезивания.

Предназначены главным  образом для удаления из воды железа и марганца, находящихся в растворенном состоянии. Фильтр требует регенерации  для восстановления своей активности, с помощью слабого раствора марганцовокислого калия.

                Фильтры умягчители

Предназначены для снижения жесткости воды. Фильтры этого  типа, благодаря применению специальных  засыпок обладают комплексным действием. Фильтры требуют регенерации солевым раствором и поэтому снабжены специальным баком для приготовления солевого раствора.

Угольные фильтры

Уже давно применяются  в водоподготовке для улучшения  органолептических показателей  качества воды. Благодаря своей высокой сорбционной способности активированный уголь поглощает остаточный хлор, растворенные газы, органические соединения. Однако, так как накапливающаяся органика трудно выводится из угля при обратной промывке, то возможен залповый сброс загрязнений в выходную линию. Для предотвращения этого явления засыпка из активированного угля требует периодической замены. В настоящее время для  увеличения ресурса работы применяют активированный уголь из скорлупы коксового ореха, адсорбционная способность которого в 4 раза выше, чем угля, полученного традиционным способом.

            По целевому назначению вода классифицируется: хозяйственно-питьевая; использующаяся в сельском хозяйстве ( как правило пресная); для охлаждения (в большинстве случаев должна быть свободной от накипеобразующих веществ, а в ряде случаев и полностью обессоленной); для паросилового хозяйства (умягченная, частично или полностью обессоленная в зависимости от условий и параметров работы парогенераторов); для технологических целей.

3. Умягчение воды

Одним из наиболее распространенных видов кондицирования воды является её умягчение. Первым промышленным способом устранения солей жесткости был  содово-известковый, суть которого заключается в проведении следующих основных уравнений реакций:

Ca(HCO₃)₂+Ca(OH)₂→↓2CaCO₃+2H₂O;

CaCl₂+Na₂CO₃→↓CaCO₃+2NaCl;

MgSO₄+Ca(OH)₂→↓CaSO₄+Mg(OH)₂;

CaSO₄+Na₂CO₃→↓CaCO₃+Na₂SO₄.

Содово-известковый метод  имеет то преимущество, что отходами процесса умягчения являются шламы, образующиеся почти в строго стехиометрическом  количестве и легко утилизируемые в хозяйстве. Вторым существенным преимуществом является сопутствующая умягчению глубокая очистка воды от многих органических и минеральных грубодисперсных примесей. Недостатками метода, приведшими к замене его другим, является громоздкость производства и недостаточно глубокое удаление солей жесткости. Остаточной содержание их в умягченной воде, как правило, не бывает менее 0,5 мг-экв/л. Примерно такой же концентрации достигает и гидратная щелочность воды.

С открытием синтеза  ионитов с большой обменной емкостью содово-известковый метод при необходимости получения относительно небольших количеств умягченной воды был практически вытеснен ионообменным:

RNa+Ca(HCO₃)₂↔R₂Ca+2NaHCO₃;

2RNa+Mg(HCO₃)₂↔R₂Mg+2NaHCO₃;

2RNa+CaCl₂↔R₂Ca+2NaCl;

2RNa+MgSO₄↔R₂Mg+Na₂SO₄.

Регенерация катионита, т.е. перевод его в натриевую форму, производится пропусканием через слой сорбента 6-10%-ного раствора поваренной соли с последующей отмывкой водой:

R₂Ca+2NaCl→2RNa+CaCl₂.

Но для регенерации  требуется расход поваренной соли, превышающий стехиометрический в 3-5 раз. В своё время на это не обращали внимания, так как удобство метода и его экономические показатели в сравнении с содово-известковым с лихвой перекрывали повышенные затраты такого дешевого реагента как поваренная соль.

В настоящее время  запрещён сброс в водотоки сточных  вод с минерализованностью, превышающей 1 г/л. Это исключает применение ионообменного  метода умягчения в его первоначальном варианте.  Выход из положения  нашли в использовании содово-щелочного метода очистки, но уже не воды, а регенерата ионообменных установок. Этот процесс описывается реакциями:

CaCl₂+Na₂CO₃→↓CaCO₃+2NaCl;

MgCl₂+2NaOH→↓Mg(OH)₂+2NaCl.

Для полного осаждения  магния требуется небольшой избыток  щелочи. После освобождения от выпавшего осадка и фильтрования раствор хлористого натрия может быть сново использован для регенерации. Избыточную щелочность нейтрализуют соляной кислотой.

Вода, умягченная с помощью  ионитов, отличается от воды после содово-известкового умягчения, так как в ней сохраняются анионы угольной кислоты. Гидрокарбонат натрия в процессе гидролиза в парогенераторах превращается сначала в соду, а затем в щелочь. Поэтому сохранение гидрокарбонатов – это недостаток ионообменного метода умягчения воды. Их устраняют путем Н-катионирования, т.е. пропуская часть умягченной воды через катионит, отрегенерированный раствором кислоты.При этом происходит реакция: 2RH+CaCl₂→R₂Ca+2HCl. Очевидно, что через катионит в Н-форме необходимо пропуститьтакую часть обрабатываемой воды, чтобы выделившегося количества сильных кислот было достаточно для разрушения присутствующих в воде гидрокарбонатов по реакции:

NaHCO₃+HCl→NaCl+H₂O+CO₂.

Преимущество совмещения Na- и Н-катионирования заключается в частичной обессоливании воды за счет обмена ионов Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ на ионы водорода.

В отличие от содово-известкового метода при ионообменном умягчении  глубина процесса зависит от ряда регулируемых факторов, а в первую очередь от глубины регенерации  ионитов.

Умягчение воды – один из наиболее надежных методов её предварительной очистки перед подачей на электродиализные иои обратноосмотические аппараты, производящие частичную деминерализацию. Умягчение воды предотвращает опасность выпадения на поверхности мембран осадков карбоната или сульфата кальция, снижающих селективность мембран и эффективность опреснения воды.

4. Обессоливание воды в установках с неподвижным слоем ионитов

Получению чистой и обессоленной воды с помощью ионного обмена мешают органические вещества, присутствующие в обрабатываемой воде. Источниками их появления являются почвы, торфяники, атмосфера, распад отмерших организмов и их прижизненные выделения. В почвах и торфах находятся карбоновые и аминокислоты, углевады, альдегилы, сложные эфиры и другие соединения. Наибольшую часть органических веществ почв и торфоф составляют специфические высокомолекулярные, устойчивые в биохимическом отношении соединения, объединяемые понятиеи» почвенный гумус».

Процессам обессоливания  воды более всего мешают присутствующие в воде гуминовые и фульвокислоты.Освобождение воды от последних – основная задача предварительной очистки воды. Предочистку ведут с помощью дистилляции, реагентной или электрохимической коагуляции, причем обработка воды коагулянтами или флокулянтами является недостаточной при получении высокоомной обессоленной воды. Поэтому перед подачей воды на обессоливание ионитами необходимо использовать сорбционную доочистку. Для  очистки воды от органических веществ наиболее перспективны пористые аниониты.

 Обезжелезивание как этап предварительной очистки воды

В подземных водах, лишенных кислорода, железо большей частью находится  в форме раствора гидрокарбоната, частично гидролизованного. Если бы это  вещество поступало на катионит в  неокисленном и негидролизованном  виде или не окислялось бы в самом  катионитовом фильтре, можно было бы ожидать практически полного поглощения железа при его обмене на ионы водорода. Однако наряду с реакцией ионного обмена, скорость которой определяется диффузными процессами, идти реакции гидролиза солей железа, окисления и перехода в слабодиссоциирующие и практически нерастворимые соединения, способные к образованию коллоидов. Разумеется катионит поглотит только ионную форму железа и растворит с поглощением часть наименее стойких продуктов гидролиза.  Другие продукты гидролиза уже не будут участвовать в ионном обмене и транзитом пройдут в Н-катионированную воду. Основные пути обезжелезивания воды – это аэрация (насыщение кислородом) и подщелачивание (связывание ионов водорода).

Острота проблемы обезжелезивания  воды как этапа предварительной очистки выявилась в связи с получением ультрачистой воды для микроэлектронного производства. Для дальнейшей очистки воды перед её подачей на отмывку деталей используется микрофильтр с порами размером 0,22 мкм, задерживающий микробные тела. Если обессоленная вода недостаточно обезжелезена на предшествующих этапах, микрофильтры быстро забиваются.

 

Первая ступень  обессоливания

Вода очищенная от основной части органических веществ  и неионных форм железа, последовательно  проходит через катионо- и анионообменные фильтры. После исчерпания обменной ёмкости катионит регенерируют раствором кислоты, анионит – раствором щелочи.

Работа катионитовых фильтров

До проскока наименее сорбируемого иона в фильтрат все  присутствующие в воде катионы располагаются  по слою катионообменника сверху вниз в порядке, который определяется величиной констант обмена этих ионов на ион водорода. Имеет место следующий ряд сорбируемости: Fe³⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺>Na⁺.

Все присутствующие в  воде катионы вытесняют ионы натрия и продвигают их вдоль слоя.

Обессоливание воды никогда  не производят с помощью полностью  отрегенерированных ионитов.

Регенерация ионитов

Для практически полной регенерации катионита (95-97%) требуется  примерно6 экв кислоты на 1 экв полной обменной емкости. Для полного удаления ионов натрия достаточно 2,5 экв кислоты. В практике водоподготовки на регенерацию расходуют 1 экв серной кислоты (800100 кг/м³ ионита). Восстановленная емкость составляет 60% от полной, т.е. около 800г-экв/м³. При этом нижние слои в колонне обогащены главным образом трудно десорбируемыми катионами кальция и магния.

При обессоливании пресных  вод непименимым условием должно быть практически полное извлечение натрия, в противном случае он в  ходе рабочего процесса будет извлекаться  Н-катионированной водой и переходить в фильтрат.

В результате неполной регенерации  в нижней части слоя, освобожденного при соответствующих затратах кислоты  от ионов натрия, содержатся ионы кальция  и магния. При Н-катионировании пресных  вод с минерализованностью до 20 мг-экв/л за счет вымывания из неотрегенерированной части слоя можно ожидать  присутствия в фильтрате 0,01-0,1 мг/л кальция и магния. Поэтому можно использовать не полностью отрегенерированный катионит, свободный от легко десорбируемых ионов натрия.

Н-катионированная вода представляет собой смесь тех кислот, соли которых присутствовали в исходной воде, т.е главным образом угольной, соляной и серной. Угольная кислота в присутствии более сильных кислот выступает в основном как растворенный в воде диоксид углерода, который большей частью может быть удалён из Н-катионированной воды продувкой воздухом в декарбонизаторе.