Очистка воды

Габбасов Дамир

Очистка воды

Требованиям прозрачности, бесцветности питьевой воды, безвредности в химическом и радиологическом, безопасности в эпидемическом отношении иногда отвечают только подземные воды (чаще артезианские и родниковые), но не открытые водоемы (реки, водохранилища). Воды, не соответствующие по качеству установленным нормам, подлежат очистке и обработке.

Очистка воды — устранение посторонних примесей из вод (включая живые организмы) с помощью механических, физико-химических, биологических и других методов.

Обработка воды — это подготовка ее для использования в питьевых и хозяйственно-бытовых целях, предусматривающая не только очистку от нежелательных и вредных примесей, но и улучшение природных свойств путем обогащения недостающими ингредиентами.

В зависимости от качества исходной воды, характера и степени загрязнения вод в каждом конкретном случае применяют те или иные методы очистки и обработки, определяют состав и конструкции очистных сооружений.

Сочетание соответствующих технологических сооружений и процессов составляет технологическую схему улучшения качества воды. Используемые в практике водоподготовки технологические схемы можно классифицировать в зависимости:

       от использования химических веществ — реагентные и безреагентные;

       от эффекта осветления;

       от числа технологических процессов и количества ступеней в каждом из них;

       от характера движения обрабатываемой воды — безнапорные и напорные.

Основные способы улучшения качества воды

Основными способами улучшения качества воды поверхностных водоисточников являются осветление, обесцвечивание и обеззараживание.

Осветление воды — это удаление из нее взвешенных веществ.

Обесцвечивание — устранение окрашенных коллоидов или истинно растворенных веществ.

Обеззараживание — обезвреживание содержащихся в воде источника патогенных бактерий и вирусов.

Для осветления и обесцвечивания применяют следующие способы:

       естественное отстаивание и фильтрация на медленных фильтрах;

       коагуляция, отстаивание и фильтрация на быстрых фильтрах;

       коагуляция и фильтрация в контактных осветлителях.

В современных условиях большое значение имеет предварительное удаление из воды зоопланктона (мельчайших животных организмов) и фитопланктона (мельчайших растительных организмов). Для этого используют микрофильтры и барабанные сетки, через которые производится процеживание воды.

Для осветления и обесцвечивания в комплекс сооружений по очистке воды входят: отстойники, смесители, камеры реакции, фильтры и т.д.

Отстойники (горизонтальные, вертикальные) — сооружения, предназначенные для осаждения под силой тяжести в основном крупных по размеру и массе частиц, находящихся в воде во взвешенном состоянии. Недостатком естественного осаждения взвеси в отстойниках является длительность этого процесса, при котором не обеспечивается осаждение основной части мелкой взвеси и всех коллоидных частиц. С целью ускорения и повышения эффективности выпадения взвешенных веществ и удаления коллоидных веществ в отстойниках перед отстаиванием Коагуляцией называется процесс укрупнения, агрегации коллоидных и тонкодиспергированных примесей воды, происходящий вследствие взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения. Процесс коагуляции завершается образованием видимых невооруженным глазом агрегатов — хлопьев. Различают коагуляцию в свободном объеме (в камерах хлопьеобразования) и контактную коагуляцию, протекающую в толще зернистой загрузки или в массе взвешенного осадка.

Для осветления воды, содержащей грубодисперсные примеси, могут применяться центрифуги и гидроциклоны. Их действие основано на использовании центробежных сил, которые в сотни и тысячи раз выше силы тяжести, за счет чего увеличивается скорость осаждения частиц. Режим движения жидкости — турбулентный.

Фильтрация — это следующий после коагуляции и отстаивания процесс для освобождения воды от взвешенных веществ, оставшихся после первых этапов очистки. Сущность фильтрации заключается в пропуске воды через мелкопористый материал (с зернистой загрузкой), на поверхности, в верхнем слое или в толще которого задерживаются взвешенные частицы.

В качестве фильтрующего материала используют кварцевый песок, антрацитовую крошку, керамзит (дробленый и недробленый), некоторые вулканические шлаки, пенополистирол и другие. Для того, чтобы фильтрующий материал не уносился вместе с фильтруемой водой, используют поддерживающий слои, который состоит из слоев гравия или щебня разных размеров, увеличивающихся сверху вниз постепенно.

Существует два принципиально отличающихся друг от друга метода фильтрации воды.

Пленочная фильтрация предполагает образование биологической пленки из ранее задержанных примесей в верхнем слое фильтрующей загрузки.

Объемная фильтрация осуществляется на скорых фильтрах и представляет собой физико-химический процесс, при котором механические примеси воды проникают в толщу фильтрующей загрузки и адсорбируются на поверхности ее частиц и хлопьев коагулянта.

Для очистки вод с незначительной мутностью и высоким содержанием органических соединений, которые плохо поддаются обработке в отстойниках и осветлителях, эффективным методом очистки является флотация.

Флотация — это процесс, сущность которого заключается в том, что коллоидные и дисперсные примеси соединяются с пузырьками воздуха, тонко диспергированного в воде. Комплексы, которые образуются при этом, всплывают и образуют пену на поверхности флотационного устройства (флотатора).

Специальные методы обработки воды

В практике хозяйственно-питьевого водоснабжения специальные методы очистки питьевой воды в основном применяют с целью нормализации ее солевого состава, удаления привкуса, запаха, удаления радиоактивных веществ и т.д.

Дезодорация — удаление привкуса и запаха воды. Достигается аэрацией воды, обработкой ее окислителями (озонирование, введение перманганата калия, диоксида хлора и больших доз хлора), фильтрацией через слой активированного угля. Выбор методов дезодорации зависит от происхождения привкусов и запахов.

Одним из видов дезодорации является освобождение от сероводорода. Сероводород (H2S) встречается чаще в подземных и реже в поверхностных водах. В свободном состоянии сероводород можно удалить аэрацией при разбрызгивании (в брызгальном бассейне при пропуске через градирню, где вода тонким слоем растеши по планкам, или при продувании воздуха через слой воды.

Умягчение — снижение природной жесткости путем удаления катионов кальция (Са2+) и магния (Mg2+). Умягчение обеспечивается методами: нагревания (кипячения), реагентными, ионного обмена, или катионитными.

Умягчение путем нагревания (кипячения) основано на переходе двууглекислых растворимых солей кальция в нерастворимые углекислые и солей магния в гидрат окиси магния. Этим путем можно избавиться только от устранимой (бикарбонатной) жесткости.

Из реагентных методов наиболее распространен известково-содовый, который предусматривает внесение в воду извести, устраняющей карбонатную и магниевую жесткость, а затем соды, устраняющей некарбонатную жесткость.

Катионитное умягчение основано на свойстве некоторых нерастворимых веществ обменивать ионы натрия, водорода и другие на ионы кальция, магния, извлекая их из воды и при этом умягчая ее. Воду, подлежащую умягчению, фильтруют через слой катиона ионообменных фильтрах. При этом катионы кальция и магния обуславливающие жесткость, из воды переходят в катионит, а в воду переходят ионы натрия и водорода. Для умягчения воды используются выпускаемые промышленностью ионообменные смолы.

Опреснение воды - способ её обработки с целью снижения концентрации растворённых солей до 1 г/л, при которой вода становится пригодной для питьевых и хозяйственных целей. 

Существует множество способов опреснения воды, и на основе любого из них могут быть построены большие производственные предприятия. Проблема заключается в том, чтобы проводить опреснение с минимальной затратой энергии и минимальными расходами на оборудование. Это требование важно потому, что нация, которая вынуждена в большей мере полагаться на опресненную воду, должна выдерживать экономическую конкуренцию с другими нациями, располагающими более обильными и дешевыми источниками пресной воды. Такая небольшая страна, как Кувейт, расположенная на берегу Персидского залива и почти не располагающая природными источниками пресной воды, может позволить себе роскошь зависеть от опресненной воды только потому, что она извлекает большие доходы от продажи нефти.

Опреснением морской воды люди занимаются несколько столетий. За это время разработаны десятки промышленных технологий опреснения, основанных на физико-химических процессах парообразования, замораживания, диализа, ионного обмена и обратного осмоса. Важнейшей из них является дистилляция воды под воздействием тепла. В разных странах мира действуют более 800 крупных дистилляционных опреснительных установок общей мощностью более 7 млн. м3 в сутки.

Обессоливание — полное или почти полное удаление из воды растворенных в ней солей.

Согласно данным специалистов, в промышленном масштабе в основном используют пять основных методов опреснения и обессоливания воды: дистилляции, вымораживания, обратного осмоса, электродиализа, ионного обмена.

В принципиальном отношении опреснение и обессоливание вод достигается удалением из воды избытка солей или извлечением молекул Н20 (сепарация). В последнем случае обычно происходит смена агрегатного состояния воды — ее переход в парообразное или твердое состояние (лед).

Дистилляция основана на изменении агрегатного состояния воды. Продуктивность выпарных опреснительных установок существенно зависит от максимальной температуры нагревания воды, которая подвергается опреснению, и степени рекуперации тепла. По характеру использования тепловой энергии и степени ее рекуперации дистилляционные установки подразделяют на одно-, многоступенчатые и паро-компрессорные.

Принципиальная схема любой дистилляционной опреснительной установки включает два теплообменника — испаритель и конденсатор с обслуживающими их трубопроводами и арматурой. Дистиилляционные опреснители по основному признаку — способу испарения — делятся на испарители с постоянным давлением (кипящие) и расширительные (некипящие).

Эффективно применение многокорпусных испарителей, которые различают по типу используемой в них теплообменной аппаратуры. Современные опреснители, как правило, оснащаются тонкопленочными вертикально и горизонтально трубными аппаратами, что позволяет повысить их тепловую эффективность и снизить расход энергии на осуществление процесса дистилляции.

Применяется также метод парокомпрессорной дистилляции. Он отличается от прямого выпаривания тем, что полученный водяной пар сжимается при помощи компрессора, который поднимает давление и, следовательно, температуру пара таким образом, чтобы она на несколько градусов превышала температуру исходной (соленой) воды, предварительно подогретой в теплообменнике. В этом случае пар конденсируется и превращается в опресненную воду, а его тепло используется для испарения новой порции исходной воды.

Опреснять воду можно и методом вымораживания, сущность которого заключается в разделении соленой воды на две фазы на основании того, что температура замерзания соленой воды ниже, чем температура замерзания пресной. Одной из фаз являются кристаллы пресного льда, образующиеся при медленном замерзании соленой воды. В дальнейшем для получения пресной воды кристаллы льда отделяют от рассола, отмывают и расплавляют. Опреснение соленой воды можно осуществлять путем использования природного и искусственного холода.

Для обработки воды с невысоким содержанием солей целесообразно применять современные мембранные методы: обратного осмоса (гиперфильтрация), электродиализа, ионного обмена и другие.

Метод обратного осмоса основан на опреснении или обессоливании воды путем фильтрации ее под высоким давлением (3-25 атм.) через полупроницаемые мембраны, которые пропускают молекулы  воды (и некоторых растворенных веществ), но задерживают большие по размеру ионы растворенных в воде солей. В результате прохождения через мембрану исходная вода разделяется на два и фильтрат (пермеат), то есть очищенная вода с уменьшенной концентрацией примесей, — и концентрат — сконцентрированный раствор примесей. Размер задерживаемых частиц определяется структурой мембраны, то есть размером ее пор. Мембранные процессы классифицируют по размерам разделяемых частиц. Различаю четыре типа мембран:

микрофильтрационные  (MF)  с размером пор от 0,02 до 1,3 микрона;

ультрафильтрационные (UF) с размером пор от 0,001 до 0,1 микрона;

нанофильтрационные  (NF)  с размером  пор от 0,001 до 0,05 микрона;

гиперфильтрационные (RO-обратный осмос) с размером пор от 0,001 микрона и меньше 0,0001 микрона.

Согласно опубликованным данным, установки, работающие по принципу обратного осмоса, обеспечивают не только снижение общей минерализации и жесткости питьевой воды, но и уменьшение концентраций в ней железа, меди, нитратов и других веществ. Современные очистные устройства, работающие по методу обратного осмоса, автоматизированы, могут содержать различные встроенные элементы предварительной очистки и обычно не требуют дополнительных сооружений по предварительной обработке исходной воды (особенно в случае использования воды из подземных источников).

Электродиализный метод опреснения (обессоливания) воды основан на принципе разделения солей в электрическом поле через селективные полупроницаемые ионитовые мембраны при пропуске постоянного тока через слой воды. При этом ионы движутся в соответствии со знаком их заряда: катионы — к катоду (свободно проходят через катионитовые мембраны и задерживаются анионитовы-ми), а анионы — к аноду (свободно проходят через анионитовые мембраны и задерживаются катионитовыми).

Если процессу электрохимического обессоливания подвергается NaCl, то в электрическом поле при пропускании постоянного ток» через слой воды анионы СГ растворенных в воде солей движутся к аноду, а катионы Na+ — к катоду.

Метод ионного обмена используют для опреснения  вод с содержанием солей до 2-3 г/л, умягчения и глубокого обессоливания пресных вод. ЭТОТ метод основан на испольной ими практически нерастворимых в воде ионообменных зернистых м риалов — катионитов и анионитов. Для исходной воды повышенной минерализации требуется большое количество реагентов на регенерацию ионитов и, соответственно, затраты на опреснение повышаются. Обработка воды указанным методом осуществляется с использованием ионообменных фильтров и вспомогательного оборудован.

Солнечное опреснение

Представляют интерес опреснительные установки, работающие с помощью возобновляемых источников природной   энергии. К  таким энергетическим ресурсам относятся солнечная радиация и ветер.  С 1952 г. в Австралии, Мексике, Греции, Испании, а также в государствах Северной Африки стали интенсивно проводиться работы по внедрению солнечного опреснения. Один из крупнейших солнечных опреснителей расположен на острове Патмос Греческого архипелага.

Гелиопреснители в основном представляют собой установки пар пикового типа. Они состоят из бассейна небольшой глубины, стены и дно которого имеют хорошую теплоизоляцию. Сверху бассейн герметично закрывается прочным и прозрачным материалом (например стеклом). Солнечная радиация проникает сквозь покрытие, нагревает соленую воду, которая испаряется. Во внутреннем пространстве опреснителя образуется паровоздушная смесь. При соприкосновении с более холодным стеклом водяной пар конденсируется, а капли дистиллята стекают в специальные желоба-сборники. Установлено, что с каждого квадратного метра поверхности испарения ежесуточно в среднем получают около 2 л опресненной воды.